ВИХРЕВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к насосостроению, в частности, к насосам необъемного вытеснения с круговым или поперечным потоком и может быть использована в системах топливопитания авиационных двигателей.
Известно насосное устройство, содержащее сборный корпус, в котором на опорах смонтированы шестерни шестеренного насоса. Через отверстие одной из шестерен пропущена рессора, скрепленная с данной шестерней (ведущая шестерня). Соосно ведущей шестерне в корпусе смонтировано рабочее колесо шнекоцентробежного насоса, кинематически связанное с рессорой, которая соединяет в единую кинематическую цепь ведущую шестерню шестеренного насоса и рабочее колесо шнекоцентробежного насоса. Для приведения во вращение шестерен шестеренного насоса и рабочего колеса шнекоцентробежного насоса предназначена входная рессора, скрепленная с ведущей шестерней. Для исключения утечек перекачиваемой среды в конструкции насосного устройства предусмотрены уплотнительные элементы, а на хвостовике ведущей шестерни помещено торцевое уплотнение с уплотнительной манжетой.
Для осуществления работы насосного устройства прикладывают вращательный момент к входной рессоре, вращение с которой передается на ведущую шестерню шестеренного насоса и - через рессору на рабочее колесо шнекоцентробежного насоса.
(см. а.с. СССР №800424, кл. Р04С 11/00, 1981 г.).
В результате анализа выполнения данного насосного устройства необходимо отметить, что данное устройство представляет два скомпонованных в одном корпусе насоса (шестеренный и шнекоцентробежный), каждый из которых обеспечивает подачу топлива в топливную систему. Однако конструкция данного насосного устройства не позволяет обеспечить устойчивую работу устройства на разных режимах, а также обеспечить заданное постоянное давление перекачиваемой среды на выходе насосного устройства при больших перепадах по высоте расходной емкости и входного патрубка насосного устройства при сохранении минимальных габаритов последнего.
Известен вихревой насос, содержащий установленное в корпусе рабочее колесо, закрепленное на приводном валу. Рабочее колесо имеет ступицу, обод и соединенные со ступицей и ободом лопасти. Рабочее колесо установлено в рабочей камере, образованной поверхностями всасывающей и нагнетательной секций. Всасывающая секция имеет сопряженную с торцом рабочего колеса боковую поверхность с окном торцевого всасывающего подвода. Нагнетательная секция имеет сопряженную с торцом рабочего колеса боковую поверхность с выводом в нагнетательный отвод, а также газоотводящий канал, сообщающий межлопастное пространство рабочей камеры с нагнетательным отводом.
Торцевой всасывающий подвод выполнен с участком, ось которого расположена под углом α=42-48° к торцу рабочего колеса и с площадью проходного сечения окна, превышающей максимальную площадь проходного сечения нагнетательного канала в 4,5-5,5 раз, при этом нагнетательный канал на сопряжении с перемычкой выполнен с площадью проходного сечения, равной 0,12-0,14 его максимальной площади в диаметральной плоскости, отстоящей по направлению вращения от перемычки на 30°, - с площадью проходного сечения, равной 0,52-0,56 его максимальной площади, а в диаметральной плоскости, отстоящей по направлению вращения от перемычки на 45°, - с площадью проходного сечения, равной 0,68-0,72 его максимальной площади.
Для разгрузки рабочего колеса и обеспечения среднего его положения предусмотрены пазухи, сообщающиеся через дросселирующее отверстие и гидравлически связанные с рабочей камерой каналом.
(см. патент РФ №2238438, кл. F04D 5/00, 2004 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа конструкции известного вихревого насоса необходимо отметить, что данный насос обладает неудовлетворительными кавитационными характеристиками, что ограничивает область его использования в системах топливопитания авиационных, например, вертолетных двигателей. Это обусловлено тем, что в вихревых насосах открытого типа жидкость подводится через всасывающее окно непосредственно к лопаткам рабочего колеса. При переходе ячейки рабочего колеса из области перемычки к начальной части канала жидкость, находящаяся в ячейке, приобретает меридианальное движение в центробежном направлении, что вызывает снижение давления в канале и примыкающей к каналу части ячеек колеса, а это может привести к возникновению кавитации. Снижение давления обусловлено также и тем, что жидкость, находящаяся во всасывающем участке канала, получает в результате продольно-вихревого движения ударный импульс в направлении вращения колеса.
Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции вихревого насоса, небольшого по габаритам и массе, обеспечивающего поддержание постоянного высокого давления перекачиваемой среды на выходе на всех режимах работы, в том числе с выключенными баковыми насосами, при значительных перепадах высот емкости с перекачиваемой жидкости и входного патрубка насоса, а также обеспечение пожаростойкости летательного аппарата за счет создания во входном патрубке насоса давления, ниже давления окружающей среды, что предотвращает вытекание топлива наружу при повреждении трубопровода.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в вихревом насосе, содержащем корпус с входными и выходным каналами, в корпусе с возможностью вращения посредством привода установлен вал, на котором закреплено вихревое колесо, новым является то, что к торцу корпуса насоса торцом прикреплен диск, а к его второму торцу пристыкована крышка, причем насос снабжен установленным в крышке и закрепленным на валу осевым колесом с переменным втулочным отношением, входной патрубок подведен к входу осевого колеса, выход которого через выполненные в диске проточки и каналы связан с входом вихревого колеса, размещенного в проточке корпуса с суммарным зазором по двум сторонам относительно торца диска и дна расточки не более 0,2 мм, межлопастное пространство вихревого колеса связано с вихревым нагнетательным каналом, который через межлопастное пространство колеса связан с торцевым отводом, сообщенным с выходным каналом, выполненным в диске, а выходное отверстие канала имеет форму диффузора, при этом что вихревой нагнетательный канал связан с торцевым отводом на угле 100±50°.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг.1 - вихревой насос, осевой разрез;
на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.
Вихревой насос выполнен в виде корпуса 1, к торцу которого пристыкован диск 2, к свободному торцу диска прикреплена крышка 3. В осевой расточке корпуса 1 на опорах качения установлен вал 4, на конце которого имеются шлицы 5, имеющие возможность соединения с приводом (не показан) вращения вала.
На валу 4 закреплены осевое 6 и рабочее (вихревое) 7 колеса. Осевое колесо размещено в крышке 4 и имеет переменное втулочное отношение. Выход осевого колеса посредством проточек 8 и каналов 9, выполненных на диске 2 соединен с входом рабочего колеса 7. Рабочее колесо имеет ступицу, обод и соединенные со ступицей и ободом лопасти. Рабочее колесо размещено в камере, образованной расточкой 10 в корпусе 1 и примыкающим к корпусу 1 торцом диска 2 с суммарным осевым зазором по двум сторонам колеса относительно торца диска и дна расточки не более 0,2 мм. Как показали исследования, при данном значении зазора стабильно сохраняются КПД и напор насоса. Больший зазор приводит к резкому снижению данных параметров.
На примыкающем к корпусу 1 торце диска 2 имеется вихревой нагнетательный канал 11, имеющий кольцевую незамкнутую форму, разделенную перемычкой 12. Данный канал сопряжен с полостью расточки 10.
На диске 2 также выполнен торцевой отвод 13, имеющий кольцевую незамкнутую форму и связанный через межлопастное пространство вихревого колеса с каналом 11 на угле 100±50°. Торцевой отвод связан с выходным каналом 14, выходное отверстие которого выполнено в виде диффузора, преобразующего скоростной напор в статическое давление топлива. При работе насоса топливо, пройдя входной канал, поступает в межлопаточное пространство рабочего колеса, по которому перемещается к периферии и далее переходит в вихревой нагнетательный канал. По образующей канала жидкость движется на меньший радиус и далее опять в межлопаточное пространство колеса. Попадая на колесо несколько раз, и получая приращение энергии, в канале происходит торможение жидкости, а следовательно, переход кинетической энергии в энергию давления. При сообщении вихревого нагнетательного канала через ячейки рабочего колеса с торцевым отводом, топливо устремляется в выходной диффузор, который преобразует скоростной напор в давление топлива.
Периферийная часть расточки 10 каналом 15, в котором установлен дозирующий жиклер 16, соединена с осевой расточкой корпуса 1, в которой установлены подшипниковые опоры. Со стороны шлицев 5 подшипники закрыты уплотнением 17, которое соединено с дренажным каналом 18.
Входной канал (вход) насоса выполнен на крышке 3 и обозначен позицией 19.
Нетрудно заметить, что вихревой насос состоит из двух качающих узлов: осевого колеса и вихревого колеса, соединенных друг с другом каналами, выполненными в диске 2.
При сборке насоса вихревое и осевое колеса стягиваются через распорную втулку 20 гайкой 21 с обеспечением зазора указанного выше размера зазоров. Конкретное значение зазора устанавливается использованием регулировочных шайб (не показаны).
Осевое колесо обеспечивает расширение диапазона самовсасывания топлива и, повышая давление топлива на входе в вихревое колесо, повышает безкавитационную работу насоса по высотам, предотвращая местное снижение давления топлива в ячейках колеса и канале.
Вихревое колесо - рабочий орган насоса, с радиальными или наклонными лопатками, вращается в корпусе. Жидкость прогоняется рабочим колесом по нагнетательному каналу, несколько раз принимая и отбрасывая ее в канал и затем выбрасывает ее в торцевое напорное отверстие.
Соединение канала 11 с торцевым отводом по углу 100±50° позволяет обеспечить заданную крутизну напорной характеристики.
Учитывая, что все модули насосного агрегата размещены в одном корпусе и функционируют от одного привода, то это позволяет уменьшить массу насоса.
Предложенная компоновка вихревого насоса обеспечивает его эффективную работу на оборотах от 1000 об/мин до 10000 об/мин (при размерах колеса от 40 мм до 100 мм), а также самовсасывание топлива из расходного бака, расположенного ниже входного канала насоса до 2,5 м на высоте полета до 6000 м.
Конструкция узлов и элементов, входящих в насос (вала, опор, уплотнений и пр.) является известной, она не составляет предмета патентной охраны и в материалах данной заявки подробно не раскрыта.
Согласование характеристик осевого и вихревого колес обеспечивается с помощью известных средств и рассчитывается по известным методикам.
Вихревой насос работает следующим образом.
При подаче сигнала на запуск двигателя (например, вертолета), система заполняется топливным баковым насосом. После окончания запуска баковый насос отключается.
Все механизмы насоса при его включении практически одновременно вступают в работу.
Топливо из бака по подводящим трубопроводам поступает во входной канал 19 насоса, захватывается вращающимся осевым колесом 6, проходя через которое постепенно повышается его давление. При выходе из колеса оно нагнетается в проточки 8 диска 2 и по каналам 9 под давлением поступает на торцевой всасывающий подвод вихревого колеса 7, увлекается в пространство между его лопастями и получает от него энергию.
Перемещаясь по вихревому каналу 11, и снова переходя в межлопаточные полости рабочего колеса 12, топливо многократно увеличивает свой напор. Далее топливо из межлопаточного пространства колеса поступает в торцевой отвод 13 и подается через отводной нагнетательный канал 14 в систему топливопитания двигателя.
Незначительная часть топлива из расточки 10 по каналу 15 через дозирующий жиклер 16 подается в полость корпуса 1 для смазки подшипников вала 4.
Топливо, просочившееся в процессе функционирования насоса через уплотнение 17, отводится через дренажный канал 18.
Совместная работа осевого колеса с вихревым колесом обеспечивают устойчивую, безкавитационную работу системы во всем диапазоне изменения расходов через насос до давлений на входе, равных 0,1 ата, при этом давление топлива в подводящем трубопроводе за счет значительной положительной высоты всасывания, местных сопротивлений и сопротивления трения, ниже давления окружающей среды, что предотвращает вытекание топлива наружу при нарушении герметичности трубопровода, а расширенный в угловом направлении торцевой нагнетательный отвод, за счет более раннего сообщения вихревого канала через лопатки колеса с торцевым отводом, делает напорную характеристику положе, уменьшая напористость на малых расходах и увеличивая - на больших расходах и, повышая давление в примыкающих к каналу части ячеек колеса, повышая кавитационные запасы.