ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL SCREW PUMP

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.
Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. 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 осевых сил внутреннего и промежуточного валов.
Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы на радиальном и упорном промежуточных подшипниках, установленных с образованием полости между ними, установлен промежуточный вал, а внутри него на радиальном и упорном внутренних подшипниках - внутренний вал, 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 - рабочее колесо второй гидротурбины, в ступице выполнены сквозные радиальные отверстия, соединяющие полость между радиальным и упорным промежуточными подшипниками с полостью центробежного рабочего колеса, на заднем торце центробежного рабочего колеса 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, в валу между подшипником и уплотнением выполнены радиальные выходящие в заднюю полость, при этом отверстия и полости выполнены таким образом, что утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение, используются для смазки всех подшипников и для привода двух гидротурбин. Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где:
- на фиг.1 приведен чертеж центробежного насоса,
- на фиг.2 приведен разрез по А-А,
Центробежный насос (фиг.1) 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 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 внутренний вал 12, который установлен внутри промежуточного вала 9 на радиальном и упорном внутренних подшипниках 13 и 14 соответственно. 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 выполнена передняя полость 23. Вторая гидротурбина 21 установлена внутри передней полости 23, выполненной в ступице 3.
К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 24, имеющий полость 25 и выходной корпус 26, имеющий полость 27. Между корпусом 8 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 28. Со стороны заднего торца центробежного колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 29 и разгрузочная полость 30. Между подшипниками 10 и 11 выполнена промежуточная полость 31. В ступице 3 центробежного колеса 2 выполнены отверстия 32, соединяющие промежуточную полость 31 с полостью 6 внутри центробежного рабочего колеса 2. Отверстия 32 выполнены или под углом 90 (т.е. радиально или перпендикулярно к оси насоса), или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства.
Внутри вала 1 выполнены три полости: передняя 23, средняя 33 и задняя 34. Между задней полостью 34 и средней полостью 23 установлено рабочее колесо 16 первой гидротурбины, а между средней полостью 33 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.
На первом шнеке 15 может быть выполнен бандаж 35 с уплотнениями 36. Входной корпус 24 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 цилиндрический пояс 36. Между шнеками 15 и 19 выполнена полость 37. Подшипник 1 установлен в заднем корпусе 38 и уплотнен уплотнением 39. В валу 1 выполнены радиальные отверстия 40, выходящие с одной стороны в полость 41 между подшипником 4 и уплотнением 36, а с другой - в заднюю полость 34.
При включении привода (не показан), раскручивается вал 1 с центробежным рабочим колесом 2. Внутри центробежного рабочего колеса 2 и на выходе из нее, т.е. в полости 27 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 28 поступает в разгрузочную полость 29 и далее через подшипник 7 - в полость 41, потом через радиальные отверстия 40 в заднюю полость 34, потом через сопловой аппарат 18 первой гидротурбины 17, рабочее колесо 16 первой гидротурбины 17 в среднюю полость 33, далее - на сопловой аппарат 22 второй гидротурбины 21, рабочее колесо 20 первой гидротурбины 21 в переднюю полость 23, в промежуточную полость 31, в отверстия 32 - в полость центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 9 с первым шнеком 15 раскручивается, раскручивается промежуточный вал 6 со вторым шнеком 19. Шнеки 12 и 16 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 между шнеками 15 и 19, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения 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 26, используются для смазки всех подшипников, в первую очередь подшипника 7, имеющего самые большие габариты, и для привода рабочих колес 16 и 20 двух гидротурбин 17 и 21, т.е. специально отбор перекачиваемого продукта для привода шнеков не применяется. Это благоприятно сказывается на экономичности насоса. Кроме того, все утечки возвращаются через специальные отверстия 32 внутрь центробежного рабочее колеса 2, после ее входа, и эти утечки, несмотря на относительно высокую температуру, не вызывают ухудшение кавитационных свойств насоса в целом, так как вводятся в область относительно высокого давления. Кроме того, объемный КПД насоса в этом случае реально достигает 100%, что позволяет в целом достичь максимально возможного КПД насоса. Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков, разной скорости вращения шнеков, которая обеспечивается двумя гидротурбинами.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил 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.
5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.
6. Полностью использовать утечки перекачиваемого продукта для смазки всех подшипников и привода двух гидротурбин и полностью предотвратить утечки перекачиваемого продукта в дренаж, повысив его объемный КПД реально до 100%, исключив даже минимальные утечки перекачиваемого продукта.
7. Увеличить КПД насоса за счет предотвращения утечек продукта в дренаж и их использования для привода гидротурбины. В предложенной конструкции насоса утечки перекачиваемого продукта, после смазки двух подшипников, приводят в действие гидротурбину и далее возвращаются в насос во внутреннюю полость центробежного рабочего колеса в область среднего давления.