Шнекоцентробежный насос (варианты)
CENTRIFUGAL SCREW PUMP (VERSIONS)

Шнекоцентробежный насос по настоящему изобретению относится к области насосостроения и может быть применен в трубопроводных транспортных системах и погрузо-разгрузочных комплексах, предназначенных для перемещения жидкостей, в частности, углеводородных, включая высоковязкие, такие как мазут, и содержащие разнообразные примеси.
Шнекоцентробежный насосов является одной из разновидностей комбинированных лопаточных насосов. Здесь предвключенный шнек повышает давление перекачиваемой среды и благодаря этому снижает возможность кавитации в потоке на входе в крыльчатку центробежного насоса.
Применение и совершенствование шнекоцентробежных насосов активизировалось в прошлом веке, но не применительно к высоковязким углеводородам, а в связи с развитием жидкостного ракетостроения. Специально для этого разработанные версии шнекоцентробежного насоса позволили преодолеть проблему кавитации при перекачивании больших объемов ракетного топлива (в том числе криогенного) с высокими скоростями и при больших давлениях. Большинство изобретений по шнекоцентробежным насосам за ряд последних десятилетий посвящено именно решению проблем жидкостного ракетостроения, в частности, в СССР и РФ. Исследованию и совершенствованию шнекоцентробежных насосов в России посвящены научно-технические исследования и специальная литература (надо отметить соответствующий раздел в учебнике Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей» (Москва, «Машиностроение», 1979 г.) Характерно, что термин «шнекоцентробежный насос» не имеет однозначного аналога в английском языке; наиболее близко понятие centrifugal pump with spiral impeller (или screw)).
Известны аналоги центробежных насосов по патентам US 3981628; RU 2366836; RU 2384741; RU 2412376; CN 204371760; GB 1267023; заявке РСТ WO 2014047619.
Существенно для нашей заявки то, что большинство вышеперечисленных решений предназначено для задач перекачки ракетных топлив, в частности криогенных, т.е. жидкостей, не обладающих высокой вязкостью и прошедших хорошую очистку от посторонних примесей.
Новизна подхода в данном изобретении состоит в создании принципиальной схемы шнекоцентробежного насоса для перекачивания преимущественно высоковязких углеводородов, содержащих при этом разнообразные инородные включения.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагается шнекоцентробежный насос по патенту на полезную модель RU 113794 (МПК F04D 9/04), предназначенный для решения тех же задач, что и объект нашего изобретения.
Здесь основными исполнительными элементами, определяющими функциональные особенности данного типа насосов, являются предвключенное шнековое и центробежное колеса, которые установлены на едином валу, передающем вращающий момент привода.
Предвключенное шнековое колесо, существенно меньшего диаметра, имеет малое число винтовых лопастей (Z=2-3), размещенных на отдельной ступице (в описании она названа втулкой), которая представляет собой тело вращения и имеет увеличивающийся от входа к выходу перекачиваемой жидкости диаметр. Оно установлено на валу цилиндрической формы, при этом наружный контур шнекового колеса образуется кромками лопастей, ометающих при вращении колеса цилиндрическую или коническую виртуальную поверхность; конкретная форма ометаемой лопастями поверхности (и, соответственно, форма охватывающего шнековое колесо корпуса насоса) обосновывается в процессе гидродинамического проектирования.
Центробежное колесо - существенно большего - диаметра состоит из ступицы, системы лопастей и наружного обтекателя, образующих центробежное колесо закрытого типа (по Б.В. Овсянникову и Б.И. Боровскому). Оно придает потоку перекачиваемой жидкости центробежное направление на входе в спиральный отвод.
Ступицы шнекового и цилиндрического колеса установлены встык на едином валу, сопрягаясь с ним по цилиндрической поверхности вала, они закреплены на переднем конце вала накидной гайкой, служащей также его обтекателем. Наружная поверхность ступицы и лопасти шнекового колеса с крыльчаткой центробежного колеса образуют вращающийся напорный канал этого насоса. Такое построение проточной части этих насосов называют еще оседиагональным, имея в виду перекрещивающееся положение вектора потока перекачиваемой жидкости по отношению к оси ротора насоса (что не вполне соответствует русскоязычной семантике).
Напор шнекового колеса создается благодаря установке лопастей с углом атаки на входных кромках 4-10° по отношению к потоку перекачиваемой жидкости (оптимальное значение угла атаки определяется при проектировании - для расчетных случаев разрабатываемого агрегата).
При этом описание, формула и графика патента-прототипа отражают раннеэскизный уровень конструктивной проработки устройства, технические решения основных элементов ротора насоса на этом этапе разработки еще не были найдены, в частности не найдены конфигурации ступиц шнекового и центробежного колес, их сочленения, обеспечивающие безотрывное перемещение специфических рабочих сред. Канал перекачиваемой жидкости через шнековое и центробежное колеса, как он показан на иллюстрирующем описание чертеже, излишне искривлен, что при высокоскоростном вращении ротора должно было бы привести к неизбежным отрывам и турбулизации потока.
Вариант 1
Для разработчиков насоса по настоящему изобретению первоочередной была задача практического решения проблем перекачивания высоковязких сред, например мазутов, содержащих большое количество механических примесей, при обеспечении высокой технологичности и простоты конструкции создаваемого насоса.
Технический результат - обеспечение неразрывного перемещения высоковязкой среды, избегая при этом образования застойных зон и налипаний - достигается благодаря нахождению оптимально простых конфигураций основных конструктивных элементов и построению их сочленений. При этом конструкция не нуждается в применении при ее изготовлении особо сложных и дорогостоящих технологических процессов.
Шнекоцентробежный насос содержит предвключенное шнековое и центробежное колеса, установленные последовательно на едином приводном валу и составляющие его ротор, закрепленные на подшипниковых опорах в его статоре, представляющем собой герметичный корпус, одной из составных частей которого является спиральный отвод с выходным фланцем.
На ступице шнекового колеса размещены 2-3 лопасти, рабочие поверхности которых имеют форму, близкую геликоиду. Отклонения могут быть обусловлены как функциональными (например, образующая может быть не прямой, а изогнутой, с целью обеспечить лучший захват перекачиваемой среды, уменьшить возможность периферического перетекания среды через кромку), так и технологическими соображениями. Кромки лопастей обрезаны виртуальной поверхностью вращения, ось которой совпадает с осью ступицы шнекового колеса, а образующей служит наклонная линия, компланарная оси.
Для обеспечения неразрывного течения ступицы шнекового и центробежного колес имеют форму усеченного конуса, причем угол конусности ступицы шнекового колеса равен или близок (≥, ≤) углу конусности ступицы центробежного колеса, а задняя кромка ступицы шнекового колеса перекрывает внахлест передний торец ступицы центробежного колеса.
Таким образом, формируется постепенно разворачивающаяся в периферическом направлении направляющая поверхность, служащая основанием кольцевого канала для неразрывного перемещения перекачиваемой жидкости, без лакун и выступов, которые могли бы вызывать образование застойных и отрывных зон, завихрений, провоцировать кавитационные процессы. Такая взаимная компоновка ступиц центробежного и шнекового колес позволяет сформировать единый гидродинамический распределительный агрегат из двух механически не связанных, отдельно изготавливаемых составных частей - центробежного и шнекового колес.
Перемещаемая среда под давлением, создаваемым предвключенным шнеком, неразрывно перемещается в полости крыльчатки центробежного колеса, а на его периферии выталкивается в спиральный отвод.
Шнековое и центробежное колеса установлены на валу в шлиц и зафиксированы накидной гайкой, являющейся при этом еще и обтекателем торца вала, направленного навстречу потоку.
Центробежное колесо, как правило, имеет существенно (в несколько раз) больший диаметр, чем шнековое. Что позволяет наиболее эффективно использовать центробежную энергию, оптимально скомпоновать постепенно расходящийся в периферическом направления кольцевой канал и разместить крыльчатку центробежной части насоса в зоне наибольших скоростей потока перекачиваемой жидкости. Конкретные (оптимальные) параметры этой пары определяются проектировочным расчетом - применительно к свойствам предполагаемой перекачиваемой среды и потребным энергетическим параметрам потока на выходе насоса.
Вариант 2
Притом, что патентуемая конструкция шнекоцентробежного насоса предназначена главным образом для использования при транспортировке высоковязких нефтепродуктов, авторам представляется полезным адаптировать ее и для более широкого круга задач. В связи с этим представлен вариант этой простой и технологичной конструкции для применения при транспортировке широкого круга жидкостей малой вязкости - по п. 4 Формулы. Поскольку при перекачивании маловязких и легких жидкостей бывает целесообразно обеспечить возможность раскрутки центробежного колеса до более высоких скоростей, чем скорость вращения шнекового колеса, для такого назначения центробежное колесо предлагается устанавливать на том же приводном валу, но через обгонную муфту. Для дополнительной раскрутки центробежного колеса используется кинетическая энергия потока перекачиваемой жидкости. С выхода шнека поток подается на лопатки турбины (турбинная секция жестко закреплена в передней части центробежного колеса). На лопатках турбины набегающий поток перекачиваемой жидкости, подпираемый шнеком, создает дополнительный вращающий момент, увлекающий центробежное колесо, благодаря чему оно приобретает угловую скорость, большую, чем угловая скорость приводного вала и шнека.
На Фиг. 1 показан продольный разрез шнекоцентробежного насоса по настоящему изобретению (в варианте 1 изобретения, соответствующем пп. 1, 2, 3 формулы).
На Фиг. 2 - вид спереди того же насоса.
Здесь:
1 - шнековое колесо;
2 - центробежное колесо;
3 - приводной вал;
4 - накидная гайка;
5 - спиральный отвод;
6 - ступица шнекового колеса;
7 - лопасть шнекового колеса;
8 - ступица центробежного колеса;
9 - крыльчатка центробежного колеса;
10 - корпус насоса.
На Фиг. 3 схематично изображен вариант 2 исполнения шнекоцентробежного насоса.
Здесь:
1 - шнековое колесо;
3 - приводной вал;
8 - ступица центробежного колеса;
9 - крыльчатка центробежного колеса;
11 - обгонная муфта;
12 - турбинная секция.
Шнекоцентробежный насос по варианту 1 (см. Фиг. 1, 2) включает в себя шнековое колесо 1 и центробежное колесо 2, установленные на приводном валу 3 (например, ступенчатом) в шлиц и закрепленные на нем накидной гайкой 4, являющейся также обтекателем переднего конца вала 3 со стороны поступающей в насос перекачиваемой жидкости (эти составные части в сборе образуют ротор насоса). Статором является корпус 10, в который встроен спиральный отвод 5.
Приводной вал 3 закреплен в корпусе 10 на подшипниках.
Основными функциональными элементами шнекового колеса 1 являются ступица 6 и лопасти 7.
Основными функциональными элементами центробежного колеса 2 являются ступица 8 и крыльчатка 9. Крыльчатка центробежного колеса выполнена закрытой.
Проточная часть корпуса 10 также выполняет свою функциональную роль, участвуя в направлении и формировании потоков перекачиваемой среды. Внутренняя поверхность корпуса насоса, охватывающая элементы ротора, эквидистантна описывающей их виртуальной поверхности.
Предвключенное шнековое колесо захватывает лопастями перекачиваемую среду и по конусу ступицы выталкивает ее в полость центробежного колеса. Дальнейшее перемещение перекачиваемой среды происходит с ускорением, обеспечиваемым кинетической энергией центробежного движения.
Компоновка шнекового и центробежного колес (по варианту 1) открывает также возможность расширения области применения предлагаемого решения через создание на единой элементной базе ряда модификаций, предназначенных для перекачивания разных сред: от высоковязких и высокоплотных - когда шнековое и центробежное колеса устанавливаются на одном валу и вращаются с одинаковой угловой скоростью - до маловязких и легких (например, бензин и более легкие топлива), при перекачивании которых целесообразно обеспечить вращение центробежного колеса с большей угловой скоростью, чем скорость шнекового. В варианте 2, представленном на Фиг. 3, в состав шнекоцентробежного насоса введены два функциональных элемента - обгонная муфта 11, закрепляемая на приводном валу 3, в ступице центробежного колеса 8, и турбинная секция 12, соединенная заедино со ступицей центробежного колеса 8.
Вариант 2 (по п. 4 формулы) обеспечивает простоту и эффективность конструкции - с целью расширить область ее применения, включив в нее перекачивание жидкостей, в частности, легких углеводородов, не отличающихся высокой вязкостью и обилием посторонних включений. В этом случае есть возможность использовать давление, развиваемое шнеком, для раскрутки центробежного колеса до более высоких скоростей. Для этого центробежное колесо 2 установлено на общем приводном валу 3 на обгонную муфту 11. Благодаря этому центробежное колесо 2 получает возможность дополнительной раскрутки относительно угловой скорости вращения вала 3 и шнекового колеса 1 за счет кинетической энергии потока перекачиваемой среды на выходе шнека.
При запуске весь ротор насоса, включая центробежное колесо, вращается с единой угловой скоростью. При достижении достаточно высокого уровня кинетической энергии потока на выходе шнека турбина и с ней все центробежное колесо начинают раскручиваться относительно остальной части ротора. В результате угловая скорость вращения центробежного колеса получает приращение, сообщаемое ему турбиной, и на выходе насоса может быть достигнута значительно большая скорость (или давление, в зависимости от задачи) перекачиваемого потока жидкости.
Конфигурация гидропроводного канала насоса на всем его протяжении, количество и положение таких исполнительных элементов, как лопасти шнека, крыльчатка центробежного колеса, лопатки турбины (для варианте 2) должна подбираться и рассчитываться при проектировании насоса для конкретного назначения - с целью достижения неразрывности течения перекачиваемой среды, учитывая прежде всего такие ее физические характеристики, как вязкость и плотность.
Вариант 1 шнекоцентробежного насоса (по п. 1 формулы) хорошо себя показал в процессе отработки и испытаний, в том числе в составе установок разогрева и слива мазута, востребованных в технологических процессах железнодорожной и автомобильной транспортировки этого нефтепродукта.
Для потенциальных изготовителей привлекательна его конструктивная и технологическая простота (в сравнении с большинством аналогов) и, соответственно, низкая себестоимость в производстве.
Вариант 2 (по п. 4 формулы), предназначенный для перекачивания легких и свободных от посторонних примесей, маловязких жидкостей после завершения его отработки найдет своего пользователя и успешное применение.