ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС С ДВУМЯ ВХОДАМИ
TWO-OUTLET CENTRIFUGAL AUGER PUMP

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в любых отраслях техники, но преимущественно в ракетостроении для установки на ЖРД - жидкостных ракетных двигателях, особенно, работающих на криогенных компонентах, склонных к кавитации.
Известен шнекоцентробежный насос, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения (RU 2094660 С1, 27.10.1997).
Насос имеет плохие кавитационные свойства.
Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос, содержащий двустороннюю крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и два шнека, установленные с двух сторон крыльчатки (RU 2006117677 А1, 10.12.2007).
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 изобретения является улучшение кавитационных свойств насоса.
Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем двустороннюю крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и два шнека, установленные с двух сторон крыльчатки, согласно изобретению ступица выполнена с внутренней полостью, концентрично валу установлен дополнительный вал, на концах которого установлены шнеки, а в средней части во внутренней полости установлено рабочее колесо гидротурбины, перед которым на ступице крыльчатки установлен сопловой аппарат гидротурбины, в ступице крыльчатки в плоскости симметрии выполнены радиальные входные отверстия, а с обеих сторон выполнены выходные отверстия, входящие во внутреннюю полость, дополнительный вал выполнен из магнитопроницаемого материала, на валу установлены ведомые магниты магнитной муфты, а на ступице крыльчатки ведущие магниты, по меньшей мере, одной магнитной муфты. Между валом и дополнительным валом могут быть установлены, по меньшей мере, два подшипника.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведен продольный разрез шнекоцентробежного насоса;
на фиг.2 - центральная часть насоса в увеличенном масштабе.
2
1
Шнекоцентробежный насос (фиг.1) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлена крыльчатка 2 со ступицей 3. Внутри ступицы 3 выполнена внутренняя полость 4. В ступице 3 выполнены два отверстия: выходное отверстие 5 и выходное отверстие 6. Отверстия 5 и 6 соединяют обе стороны крыльчатки 2 с полостью 4. При этом выходные отверстия 6 могут быть выполнены на диаметре Д, меньшем или большем диаметра Д, на котором выполнены выходные отверстия 5. Это необходимо для того, чтобы на крыльчатку 2 действовали небольшая, но направленная в одну сторону осевая сила. При отсутствии этого условия осевая сила будет теоретически отсутствовать, а на практике при изменении режима работы насоса осевая сила будет периодически изменять направление, что неблагоприятно для работы подшипников и уплотнений. Вал 1 установлен в корпусе 7. Дополнительный вал 8 проходит внутри вала 1 и установлен, по меньшей мере, на двух подшипниках 9. На обоих концах дополнительного вала,8, со стороны входов в насос, установлены шнеки 10 на ступицах 11. Во внутренней полости 4 на дополнительном валу 8 установлено рабочее колесо 12 гидротурбины, а перед ним - сопловой аппарат 13 гидротурбины, установленный во внутренней полости 4 и зафиксированный от осевого смешения и проворота на ступице 3 изнутри. К корпусу 7 подстыкованы входной корпус 14, имеющий входную полость 15, и выходной корпус 16, имеющий выходную полость 17. Между шнеками 10 и крыльчаткой 2 образованы полости 18.
Дополнительный вал 8 выполнен из магнитопроницаемого материала, например немагнитной стали или титана. Между валом 1 и ступицей 3 установлена, по меньшей мере, одна магнитная муфта, содержащая ведущие магниты 20 и ведомые магниты 21. Во внутреннюю полость 4 входят входные отверстия 22, выполненные радиально в ступице 3 в плоскости симметрии крыльчатки 2, т.е. эти отверстия сообщают внутреннюю полость 4 с выходной полостью 17, давление перекачиваемого продукта в которой имеет максимальное значение.
Устройство работает следующим образом.
При включении привода (не показан) раскручивается вал 1, который через ведущие магниты 20 и ведомые магниты 21 магнитных муфт раскручивают крыльчатку 2. Внутри крыльчатки 2 и на выходе из нее - в выходной полости 17, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (10…15%) через входные отверстия 22 поступает во внутреннюю полость 4 и далее через сопловой аппарат 13 гидротурбины на рабочее колесо 12 гидротурбины, раскручивает ее и далее проходит через выходные отверстия 5, 6 в крыльчатку 2. Давление перед входными отверстиями 22 значительно больше, чем за выходными отверстиями 5 и 6, это позволяет перетекать части расхода перекачиваемого продукта с выхода из насоса на его оба входа и приводить в действие гидротурбину. Рабочее колесо 12 гидротурбины раскручивает через дополнительный вал 8 оба шнека 10, повышая давление в полостях 18, тем самым, улучшая антикавитационные свойства насоса.
Дополнительный вал 8 вследствие небольшого расхода перекачиваемого продукта, проходящего через рабочее колесо 12 гидротурбины (10…15% от общего расхода), вращается значительно медленнее, чем вал 1, т.е. шнеки 10 вращаются с меньшими оборотами, чем крыльчатка 2. Это благоприятно сказывается на кавитационных свойствах насоса в целом и одновременно позволяет спроектировать крыльчатку 2 для работы на очень больших скоростях, что уменьшает вес и габариты насоса. Подбором диаметров отверстий 5, 6 или 22 можно настроить оптимальный режим работы шнеков 10. Для того в отверстия 5, 6 или 22 могут быть ввернуты калиброванные жиклеры, (на фиг.1 и 2) не показано. Это позволит получать одинаковые кавитационные характеристики насосов при их серийном изготовлении.
Применение изобретения позволяет следующее.
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнеков и применения схемы с двухсторонним входом.
2. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения крыльчатки при ограниченных габаритах и весовых показателей, что особенно важно в ракетостроении при проектировании турбонасосных агрегатов ЖРД.
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. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса, т.к. силы, действующие с обеих сторон крыльчатки, уравновешиваются.
6. Создать небольшое по величине однонаправленное осевое усилие для улучшения условий работы подшипников и уплотнений.
7. Уменьшить утечки перекачиваемого продукта в дренаж.
8. Увеличить КПД насоса.
9. Обеспечить быстрый запуск насоса, перекачивающего большие расходы низкокипящих компонентов.