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, содержащий корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен на подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек (патент РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998). Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежное колесо, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет ос 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.
Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен на подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы установлены промежуточный и внутренний валы, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, который закреплен на этом валу передней конической гайкой, на конце промежуточного вала со стороны входа в насос установлен второй шнек, на противоположном конце промежуточного вала закреплено рабочее колесо гидротурбины, внутри ступицы установлен редуктор, соединяющий внутренний и промежуточный валы, в ступице выполнены сквозные отверстия, соединяющие полость центробежного рабочего колеса с полостью в ступице, на заднем торце центробежного рабочего колеса выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, в нем выполнены радиальные отверстия, выходящие в разгрузочную полость. Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где:
- на фиг.1 приведен чертеж центробежного насоса,
- на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Центробежный насос (фиг.1) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлено центробежное колесо 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4 в корпусе 5. Промежуточный вал 6 проходит внутри ступицы 3 и установлен внутри нее, по меньшей мере, на одном промежуточном подшипнике 7. Внутри промежуточного вала 6 установлен внутренний вал 8, который установлен внутри вала 6 на подшипниках 9. С одной стороны (со стороны входа в центробежное колесо 2) на внутреннем валу 8 установлен первый шнек 10, который закреплен на этом валу при помощи передней конической гайки 11. На противоположном конце внутреннего вала 8 закреплено рабочее колесо 12 гидротурбины 13, рядом с которым внутри вала 1 установлен сопловой аппарат первой гидротурбины 14. На промежуточном валу 6 на переднем конце (со стороны входа в насос) установлен второй шнек 15, а на противоположном конце закреплена ведомая шестерня 16 редуктора 17. Редуктор 17 установлен внутри передней полости 18, выполненной в ступице 3. В качестве подшипников 7 и 9 могут быть применены подшипники скольжения, магнитные подшипники или игольчатые подшипники. Для восприятия осевых нагрузок на валы 6 и 8 служат контактные кольца 19, установленные на их торцах, и подшипник 20, установленный внутри вала 1.
К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 21, имеющий полость 22, и выходной корпус 23, имеющий полость 24. Между корпусом 5 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 25. Со стороны заднего торца центробежного колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 26 и разгрузочная полость 27. В ступице 3 центробежного колеса 2 выполнены отверстия 28, выходящие в полость 18. Внутри вала 1 выполнено три полости: передняя 18, средняя 29 и задняя 30. Полости 18 и 29 разделены гидротурбиной 14, а между полостями 29 и 30 установлен подшипник 20. Средняя полость 29 выполнена цилиндрической, т.е. с цилиндрической стенкой, на которой закреплен сопловой аппарат 14 гидротурбины 13.
На первом шнеке 10 может быть выполнен бандаж 31 с уплотнениями 32. Входной корпус 21 в этом случае необходимо изготовить цилиндрическим, это уменьшит перетекание перекачиваемого продукта из-за разности давлений на входе и выходе первого шнека 10. Второй шнек 15 следует выполнить без бандажа, чтобы уменьшить загромождение тракта на входе в центробежное колесо 2, но внутри центробежного колеса 2 необходимо предусмотреть цилиндрический пояс 33. Между шнеками 10 и 15 выполнена полость 34.
На боковой поверхности вала 1 между редуктором 17 и подшипником 20 выполнены радиальные отверстия 35, соединяющие полости 27 и 29.
При включении привода (не показан), раскручивается вал 1 с центробежным колесом 2. Внутри центробежного колеса 2 и на выходе из него, т.е. в полости 24, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 26 поступает в разгрузочную полость 27 и далее проходит через радиальные отверстия 35 в среднюю полость 27, сопловой аппарат 14 гидротурбины 13, рабочее колесо 12 гидротурбины 13, переднюю полость 18, отверстия 28 в полость центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 8 с первым шнеком 10 раскручивается. Одновременно через редуктор 17 раскручивается промежуточный вал 6 со вторым шнеком 15. Шнеки 10 и 15 значительно повышают давление на входе в крыльчатку 2, тем самым, предотвращая кавитацию на ее входе. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 10 и 15 кавитация на их входных кромках также исключается. Первый шнек 10 повышает давление между шнеками 10 и 15, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращение кавитации на входе во второй шнек 15. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входах в шнеки 10 и 15 и на вход в центробежное рабочее колесо 2 отсутствует. С учетом того, что первый шнек 10 вращается в 3…5 раз медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, на его входе кавитация исключена. Второй шнек 15 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 подшипника 4 и для привода гидротурбины 13, 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 внутрь центробежного рабочее колеса 2, после его 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 достигает 100%, что позволяет в целом достичь максимально возможного КПД насоса.
Применение изобретения позволяет:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков, разной скорости вращения шнеков, применения редуктора, снижающего скорость вращения для привода первого шнека и применения консольной схемы насоса.
2. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимой по прочности.
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.
5. Полностью использовать утечки перекачиваемого продукта для смазки подшипника и привода гидротурбины и смазки редуктора и полностью предотвратить утечки перекачиваемого продукта в дренаж, повысив его объемный КПД практически до 100%.
6. Увеличить КПД насоса за счет предотвращения утечек продукта в дренаж и их использования для привода гидротурбины.