ЛОПАСТНОЙ НАСОС
IMPELLER PUMP

Изобретение относится к области турбонасосостроения (ТНА) ЖРД и может быть использовано в авиационной и ракетной технике, где необходимы насосы, обладающие высокими кавитационными качествами и экономичностью при относительно невысоких напорах.
H
Известен лопастной насос, содержащий цилиндрический корпус и рабочее колесо с постоянным наружным диаметром D и цилиндрической втулкой (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей». М.: Машиностроение, 1986 г, рис. 2.4).
Указанная конструкция имеет недостаточные кавитационные свойства и экономичность.
кр
вт,1
Это связано с тем, что для получения высоких кавитационных качеств насоса (С=3500÷5000) втулочное отношение на входе выбирается минимальным (d=0,25÷0,35), а коэффициент диаметра
D1
большим (K=6÷7,5), где
- втулочное отношение на входе;
вт.1
d - диаметр втулки на входе;
н
D - наружный диаметр колеса лопаточного насоса;
Q - расход рабочей среды через насос;
n - угловая скорость вращения вала насоса.
D1
значения K соответствуют  величинам наружного диаметра. Таким образом, для получения высоких кавитационных качеств насоса необходимо наружный диаметр рабочего колеса выполнять большим.
Указанное требование для насосов с высоким коэффициентом быстроходности
2
2
s
s
вступает в противоречие с требованием получения низкой напорности насоса Н, поскольку известно, что для получения малого напора необходимо наружный диаметр колеса уменьшать, т.к. Н (напор)~n, D, а для насоса с большой величиной n(n≥500 - как у лопастных насосов) можно получить малый напор, например, за счет малой густоты решетки колеса τ
, где
- длина лопаток лопастного насоса;
z - число лопаток;
лн
β - угол установки лопатки на наружном диаметре.
Однако это приведет к ухудшению кавитационных свойств и экономичности насоса. Поэтому для насоса с высокой быстроходностью и высокими кавитационными качествами требуется получение нового качества: одновременное обеспечение высоких кавитационных качеств, малого напора и относительно высокой экономичности.
Известен лопастной насос, содержащий цилиндрический корпус и рабочее колесо с постоянным наружным диаметром, и профилированной втулкой, диаметр которой увеличивается от входа к выходу (см. книгу В.И. Петрова и В.Ф. Четаевского «Кавитация в высокооборотных лопастных насосах». М.: Машиностроение, 1987 г., рис. 2.3а, стр. 191).
Данная конструкция лопастного насоса имеет высокие кавитационные параметры, но низкую экономичность.
Известен лопастной насос, содержащий корпус, состоящий из цилиндрического входного участка большего диаметра, цилиндрического выходного участка меньшего диаметра и промежуточного переходного участка между ними, на котором внутренний диаметр корпуса плавно изменяется по ходу потока рабочей среды от большего диаметра к меньшему, рабочего осевого колеса, у которого наружный диаметр монотонно уменьшается от входа к выходу, а диаметр втулки постоянен (см. книгу В.И. Петрова и В.Ф. Четаевского «Кавитация в высокооборотных лопастных насосах». М.: Машиностроение, 1982 г., рис. 2.3б, стр. 191). Однако монотонное уменьшение наружного диаметра по ходу потока рабочей среды приводит к ухудшению кавитационных качеств насоса, а наличие цилиндрической втулки малого диаметра приводит к ухудшению его экономичности.
Известен лопастной насос, взятый за прототип изобретения (см. патент США №3522997, МПК F04D 13/12, 3/02 от 04.08.70 г.), у которого предвключенная осевая ступень содержит конический корпус с уменьшающимся диаметром по ходу потока и осевое колесо, у которого диаметр втулки постоянен от входа к выходу, а наружный диаметр лопастей монотонно уменьшается от входа к выходу.
D
Анализ конструкции прототипа показывает, что он обладает недостатком, заключающимся в том, что монотонное уменьшение наружного диаметра по ходу потока приводит к ухудшению кавитационных качеств насоса за счет уменьшения коэффициента диаметра K во входной части осевого колеса.
Изобретение направлено на получение высоких кавитационных качеств и экономичности при относительно низком напоре.
Для этого в лопастном насосе выполняют дополнительную предвключенную осевую ступень с лопастями, наружный и внутренний диаметр которой постоянны, причем первый из них равен наружному диаметру рабочего колеса, второй - диаметру втулки на входе в рабочее колесо, а длину предвключенной осевой ступени определяют из соотношения:
,
H
где D - наружный диаметр ступени,
лн
β - угол установки лопастей на входе на периферии.
При этом длина предвключенной осевой ступени находится экспериментальным методом, обеспечивая высокие кавитационные качества за счет определения максимальной длины безотрывочного распределения кавитационной каверны вдоль лопастей ступени.
При отрыве кавитационной каверны происходит запирание проточной части насоса парами рабочей среды и насос теряет свою работоспособность за счет падения напора и расхода рабочей среды.
Это связано с тем, что все насосы ТНА ЖРД работают в режиме скрытой кавитации из-за низких входных давлений.
Сущность изобретения поясняется рисунком.
Лопастной насос согласно изобретению содержит корпус 1 с коническим участком 2, лопастной насос с осевым рабочим колесом 3, наружный диаметр которого монотонно уменьшается, и втулкой 4, диаметр которой монотонно увеличивается по ходу рабочей среды, предвключенную осевую ступень 5 длиной  с лопастями 6, наружный и внутренний диаметры которых постоянны, причем первый из них равен наружному диаметру рабочего колеса 3, а второй - равен диаметру втулки 4 на входе в рабочее колесо, и спрямляющий аппарат 7.
D1
При работе лопастного насоса при минимальных входных давлениях рабочей среды предвключенная осевая ступень 5 при больших K обеспечивает высокие кавитационные свойства всего насоса, а лопастной насос с колесом 3 и втулкой 4 обеспечивают поджатие рабочей среды до нужного напора и обеспечивают «безотрывную» раскрутку потока в спрямляющем аппарате 7, что обеспечивает высокий кпд насоса.
Использование изобретения позволит качественно улучшить кавитационные свойства лопастного насоса с сохранением высокой экономичности (кпд) при относительно малом напоре.
Согласно изобретению был разработан, изготовлен и испытан лопастной насос. Лопастной насос должен был обеспечивать по техническому заданию следующие параметры:
3
расход Q=0,072 м/с,
напор Н=140 м,
коэффициент полезного действия η≥65%,
кр
коэффициент кавитационной устойчивости С≥4000,
обороты n=26000 об/мин.
При этом предвключенная осевая ступень с лопастями по длине  была определена экспериментально и соответствовала соотношению:
,
н
лн
D1
т.к. наружный диаметр ступени D=93 мм, угол установки лопастей на входе по периферии sinβ=8°30', то  мм, а втулочное отношение на входе , коэффициент диаметра K=6.
При гидроиспытаниях получили следующие параметры на оборотах 25500 об/мин:
3
кр
расход Q≅0,073 м/с; напор H≅140 м; к.п.д. η≅66%; С=4100.
Таким образом, характеристики лопастного насоса соответствуют требованиям технического задания.