ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2012 года по МПК F04D9/04 F04D29/66 F04D13/02 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей ЖРД.

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 не предназначен для системы топливопитания ЖРД.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, кл. F04D 13/04, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек. Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение антикавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Однако стремление уменьшить вес и габариты насосов, особенно в ракетной технике, потребовало значительного увеличения частоты вращения ротора, при этом антикавитационные свойства насосов ухудшились. Это не позволило эксплуатировать насос при очень больших угловых скоростях вращения ротора, например 40…100 тыс. об/мин. Применение редукторных схем увеличило бы вес насоса и усложнило его конструкцию.

Задачей изобретения является улучшение антикавитационных свойств насоса.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек, согласно изобретению шнек установлен и закреплен на дополнительном валу при помощи конической гайки с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, установленной на дополнительном валу, внутри ступицы крыльчатки выполнена внутренняя полость, в которой размещены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины таким образом, что образуются полости перед сопловым аппаратом гидротурбины и за рабочим колесом гидротурбины, втулка связана с дополнительным валом через торцовую магнитную муфту, имеющую ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, при этом в крыльчатке выполнены отверстия, которые сообщают полость крыльчатки с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, в ведущей полумуфте и конической гайке выполнены радиальные отверстия, а в дополнительном валу - осевое отверстие для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос. В отверстиях, выполненных в крыльчатке, могут быть установлены жиклеры. Полумуфты магнитной муфты могут быть установлены относительно друг друга с осевым зазором, величина которого может изменяться в зависимости от режима работы насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена конструкция шнекоцентробежного насоса.

На фиг.2 - узел А на фиг.1.

На фиг.3 - узел Б на фиг.1.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1…3) содержит установленную на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4. Шнек 5 установлен на дополнительном валу 6 и закреплен при помощи конической гайки 7. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнен зазор δ1, величина которого может изменяться. Крыльчатка 2 жестко связана с валом 1, например, посредством фланца. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т.е. вращения с различной частотой и осевого перемещения внутри крыльчатки 2. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 8, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо 9 гидротурбины. Перед рабочим колесом 9 гидротурбины установлен сопловый аппарат 10 гидротурбины, который крепится внутри вала 1 во внутренней полости 11 и делит эти полости на две полости: полость 12 перед сопловым аппаратом 10 гидротурбины и полость 13 - за рабочим колесом 9 гидротурбины. Полость 12 отверстиями 14, выполненными в крыльчатке 2, сообщается с полостью крыльчатки 2. В отверстиях 14 могут быть установлены жиклеры 15 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо 9 гидротурбины. Между дополнительным валом 6 и втулкой 8 выполнена магнитная муфта 16, которая содержит ведущую и ведомую полумуфты соответственно 17 и 18 с постоянными магнитами 19. Дополнительный вал 6 подпружинен в сторону выхода насоса пружиной 20, которая упирается одним концом в кольцевой буртик 21, выполненный внутри втулки 8, а с другой стороны - в ведущую полумуфту 17 (фиг.3).

Полость 13 сообщается с входом в насос при помощи отверстий 22, выполненных в ведущей полумуфте 16, осевого отверстия 23, выполненного внутри дополнительного вала 6, полости 24 внутри конической гайки 7 и радиальных отверстий 25, выполненных в конической гайке 7 и выходящих в ее внутреннюю полость 24. Подшипник 4 установлен в корпусе 25. К корпусу 25 подстыкован входной корпус 26 с входной полостью 27 и выходной корпус 28 с выходной полостью 29, между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнена полость 30. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 31, отделяющее выходную полость 29 от разгрузочной полости 32. Разгрузочная полость 32 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 установлен упорный подшипник 33, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере, один радиальный подшипник 34. Между втулкой 8 и ступицей 3 крыльчатки 2 установлен упорный подшипник 35. Второй упорный подшипник 35 установлен с противоположной стороны. Втулка 8 установлена на радиальных подшипниках 36. Один из радиальных подшипников 36 установлен внутри ступицы 3 крыльчатки 2, а другой - внутри втулки 8. Магнитная муфта 16 установлена на подшипнике 37, который выполнен в опоре 38. Опора 38 установлена внутри вала 1.

При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2, за счет поджатия пружиной 20, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим давление перекачиваемого продукта в полости 30 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полости 30 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 20 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1. Это достигается за счет подбора мощности, создаваемой рабочим колесом 9 гидротурбины посредством жиклеров 15. Осевые зазоры δ₁ и δ₂ увеличатся (фиг.2 и 3), поэтому мощность, передаваемая магнитной муфтой 16 на рабочее колесо 9 гидротурбины, уменьшится, и уменьшится частота вращения шнека 5, что благоприятно скажется на антикавитационных свойствах шнека 5 и насоса в целом. Отработавший в гидротурбине перекачиваемый продукт возвращается на вход в насос, во-первых, на минимально возможном диаметре на конической части конической гайки 7, во-вторых, ввод этой части перекачиваемого продукта (10…30% от общего расхода) выполняется на вход в низкооборотный шнек 5. Различные частоты вращения крыльчатки 2 и шнека 5 реализованы без применения редуктора, а мощность, передаваемая на шнек 5, достаточно велика за счет применения радиальной магнитной муфты.

При падении давления в полости 27 происходит обратный процесс, т.е. шнек 5 перемещается в сторону крыльчатки 2, тем самым процесс регулирования нагрузки будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит антикавитационные свойства насоса, например, при частоте вращения вала 100000 об/мин можно получить скорость вращения шнека 5 порядка 5000…10000 об/мин, т.е. предельную по кавитационным свойствам шнека скорость. При этом на одной ступени центробежного насоса будет получено максимально возможное повышение давления при минимальном весе и габаритах насоса, что имеет решающее значение для ракетных двигателей.

Применение изобретения позволит:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы и размещения пружин автомата управления нагрузкой шнека внутри на дополнительном валу внутри втулки. Обеспечить передачу значительной мощности за счет применения радиальной магнитной муфты и автоматическое регулирование частоты вращения шнека в зависимости от режима работы насоса за счет возможности управления зазором между полумуфтами магнитной муфты.

2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.

3. Спроектировать насос очень большой мощности, имеющей достаточно мощный шнек, за счет радиальной конструкции магнитной муфты.

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

5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.

6. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.

7. Улучшить смазку магнитных подшипников.

8. Разгрузить осевые силы, действующие на роторы насоса, а именно: на основной вал, дополнительный вал и втулку, на которой закреплено рабочее колесо гидротурбины.

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для перекачки жидкостей. Шнекоцентробежный насос содержит корпус, установленную на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3 и шнек 5, установленный на дополнительном валу 6 при помощи конической гайки 7. Шнек 5 имеет возможность осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной 20, установленной на дополнительном валу 6. В ступице 3 крыльчатки 2 выполнена полость 11, в которой размещены сопловой аппарат 10 и рабочее колесо 9 гидротурбины. Втулка 8 связана с дополнительным валом 6 через торцовую магнитную муфту 16, имеющую ведущую и ведомую полумуфты 17, 18 с постоянными магнитами 19. В крыльчатке 2 выполнены отверстия 14, которые сообщают полость крыльчатки 2 с полостью 12 перед сопловым аппаратом 10 гидротурбины. В ведущей полумуфте 17 и конической гайке 7 выполнены радиальные отверстия 25, а в дополнительном валу 6 - осевое отверстие 23 для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек, отличающийся тем, что шнек установлен и закреплен на дополнительном валу при помощи конической гайки с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, установленной на дополнительном валу, внутри ступицы крыльчатки выполнена внутренняя полость, в которой размещены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины таким образом, что образуются полости перед сопловым аппаратом гидротурбины и за рабочим колесом гидротурбины, втулка связана с дополнительным валом через торцовую магнитную муфту, имеющую ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, при этом в крыльчатке выполнены отверстия, которые сообщают полость крыльчатки с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, в ведущей полумуфте и конической гайке выполнены радиальные отверстия, а в дополнительном валу - осевое отверстие для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос.

2. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что в отверстиях, выполненных в крыльчатке, установлены жиклеры.

3. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что полумуфты установлены относительно друг друга с осевым зазором, величина которого может изменяться в зависимости от режима работы насоса.