ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
AUGER CENTRIFUGAL PUMP

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, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус и установленные на валу крыльчатку со ступицей и шнек. Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка, 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 создания изобретения является улучшение антикавитационных свойств насоса.
Технический результат достигается тем, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус и установленные на валу крыльчатку со ступицей и шнек, согласно изобретению шнек установлен на дополнительном валу 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, рабочее колесо гидротурбины соединено через магнитную муфту с дополнительным валом, при этом в крыльчатке на разных диаметрах выполнены две группы отверстий, одна из которых сообщает полость крыльчатки с полостью перед сопловьм аппаратом гидротурбины, а другая - с полостью за рабочим колесом гидротурбины. В одной группе отверстий, или в обеих могут быть установлены жиклеры.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображен шнекоцентробежный насос, продольный разрез.
Шнекоцентробежный насос содержит установленные на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4.
Шнек 5 установлен на дополнительном валу 6 с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной 19, установленной на дополнительном валу 6. Крыльчатка 3 жестко связана с валом 1, например, посредством шпонки или шлицевого соединения. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т.е. вращения с различной частотой. Внутри ступицы 3 крыльчатки 2 выполнена внутренняя полость 10, в которой размещены сопловой аппарат 9 и рабочее колесо 8 гидротурбины таким образом, что образуются полости 11, 12 соответственно перед сопловым аппаратом 9 гидротурбины и за рабочим колесом 8 гидротурбины. Рабочее колесо 8 гидротурбины соединено через магнитную муфту 18 с дополнительным валом 6. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 7, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо 8 гидротурбины. Сопловой аппарат 9 гидротурбины крепится внутри вала 1. Полость 11 отверстиями 13, выполненными радиально в валу 1, сообщается с разгрузочной полостью 14, которая в свою очередь посредством отверстий 15, выполненных в крыльчатке 2, сообщается с полостью 11. В крыльчатке 2 на разных диаметрах d1 и d2 выполнены две группы отверстий 15, 16, одна из которых сообщает полость 10 крыльчатки 2 с полостью 11 перед сопловым аппаратом 9 гидротурбины, а другая - с полостью 12 за рабочим колесом 8 гидротурбины. Полость 11 сообщается при помощи групп отверстий 15, выполненных на большем диаметре d1, а полость 12 - при помощи групп отверстий 16 выполненных на меньшем диаметре d2, с полостью крыльчатки 2. В отверстиях 15 или 16 или одновременно в них могут быть установлены жиклеры 17 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо гидротурбины 8.
Подшипник 4 установлен в корпусе 20. К корпусу 20 подстыкованы входной корпус 21 с входной полостью 22 и выходной корпус 23 с выходной полостью 24. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнена полость 25. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 26, отделяющее выходную полость 24 от разгрузочной полости 14. Разгрузочная полость 14 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 установлен упорный подшипник 27, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере, один радиальный подшипник 28. Между втулкой 7 и ступицей 3 крыльчатки 2 установлен упорный подшипник 29. Втулка 7 установлена, по меньшей мере, на одном радиальном подшипнике 30.
При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2 за счет поджатая пружиной 19, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим, давление перекачиваемого продукта в полости 25 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полости 25 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 19 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1. При падении давления в полости 25 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 позволяет:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы и размещения пружин автомата управления нагрузкой шнека внутри стакана на валу.
2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.
3. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
4. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.
5. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.
6. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса.