Насосный агрегат
PUMP UNIT

Изобретение относится к насосным агрегатам (НА), применяемым для перекачки жидкостей, преимущественно топлива для обеспечения силовых установок летательных аппаратов.
Известно, что при увеличении высоты полёта падает атмосферное давление и соответственно снижается давление топлива на входе в насосные агрегаты, из-за чего ухудшаются условия работы насосов по причине образования кавитации, тем самым ограничивается высотность летательного аппарата. Для увеличения кавитационного запаса и повышения эффективности работы центробежного насоса применяются различные методы, одним из которых является использование предвключенного эжектора (струйного аппарата).
Известен насосный агрегат, самовсасывающий центробежный насос, с предвключенным струйным аппаратом (RU 2 351 805 С1, 12.12.2007, ПК F04D 9/06). Насос содержит корпус с всасывающей, напорной и насосной камерами, рабочее колесо, диффузор струйного аппарата, вход которого соединен с всасывающей камерой, и сопло. Недостатками данного агрегата являются сложность изготовления соплового узла, в котором сопло выполнено изогнутой формы и расположено внутри всасывающей камеры, а также большие габариты из-за наличия напорной камеры больших размеров в виде специального резервуара, служащего для предварительного отделения газов и паров.
Наиболее близким техническим решением является насосный агрегат (см. RU 2 246 639 C1, 27.06.03, MПК F 04D 9/06), содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединенном с приводом, эжекторный насос (ЭН), установленный соосно перед центробежным насосом по ходу перекачиваемой жидкости. ЭН включает насадку с множеством сопел и последовательно размещённые по ходу движения перекачиваемой жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к рабочему колесу центробежного насоса, канал для отвода жидкости высокого давления к потребителю, соединённый со сборником отводящего устройства центробежного насоса, и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса, соединенный непосредственно с каналом для отвода жидкости высокого давления к потребителю. Насадка выполнена в виде цилиндрической втулки, в которой сопла размещены по окружности на максимальном удалении от оси насадки.
Недостатком данного агрегата являются большие габариты и вес из-за установки насадки с множеством сопел в канале для подвода перекачиваемой жидкости в насосный агрегат и подвод жидкости к центробежному насосу через конфузор, представляющий собой длинный, конусный, плавно сужающийся участок эжекторного насоса.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение является снижение габаритов и веса насосного агрегата при обеспечении повышенного кавитационного запаса центробежного насоса за счёт оптимизации работы эжекторного насоса.
Технический результат достигается тем, что предложен насосный агрегат, содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединённом с приводом, эжекторный насос, установленный соосно перед центробежным насосом по ходу движения перекачиваемой жидкости и включающий насадку с множеством сопел, и последовательно размещённые по ходу движения жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к рабочему колесу центробежного насоса, канал для отвода жидкости высокого давления к потребителю, соединенный со сборником отводящего устройства центробежного насоса и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса, в котором конфузор и диффузор имеют осесимметричную форму с криволинейной образующей, а сопла в насадке выполнены в виде дросселя, состоящего из жиклёров, равномерно расположенных как можно ближе к оси насадки, причём жидкость высокого давления подведена по центру насадки, а подвод низкого давления происходит перпендикулярно оси насоса.
Заявленный насосный агрегат обеспечивает повышенный кавитационный запас центробежного насоса  за счёт оптимизации работы эжекторного насоса при сокращении габаритных размеров и без усложнения конструкции за счёт отличительных признаков, а именно конфузор и диффузор имеют осесимметричную форму с криволинейной образующей, а сопла в насадке выполнены в виде дросселя, состоящего из жиклёров, равномерно расположенных как можно ближе к оси насадки, причём жидкость высокого давления подведена по центру насадки, а подвод низкого давления происходит перпендикулярно оси насоса. Подвод низкого давления перпендикулярно оси насоса можно осуществить через различные виды боковых подводов - спиральный, кольцевой и др.
Насадка может быть выполнена в виде трубы Вентури, на выходе из которой установлена диафрагма, а сопла в ней выполнены в виде дросселя, состоящего из жиклёров, равномерно расположенных как можно ближе к оси диафрагмы. Использование трубы Вентури даёт дополнительный прирост скорости высокого давления (активного потока), подведенного по центру насадки к соплам.
Введение перед центробежным насосом предвключенной ступени - эжекторного насоса с конфузором и диффузором криволинейной формы, а также применение подвода входного низкого давления (пассивного потока) перпендикулярно оси насоса через боковой подвод приводит в совокупности к сокращению габаритных размеров и веса насосного агрегата.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан заявляемый насосный агрегат, на фиг.2. - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - эжекторный насос с жиклёрами в насадке, на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3, на фиг.5 - эжекторный насос с насадкой в виде трубы Вентури и диафрагмой с жиклёрами на выходе, на фиг.6 - сечение В-В на фиг.5, и описана ниже.
Насосный агрегат содержит (фиг.1) центробежный насос 1, который включает рабочее колесо 2 с лопастями 3, установленное на валу 4 консольно, например, с помощью шпонки 5 и закрепленное гайкой 6. Опоры и привод вала на фиг.1 не показаны.  Вход в насос выполнен в виде бокового подвода через штуцер входа 7 и распределительную камеру 8.
Перед центробежным насосом  1 установлен соосно с ним эжекторный насос 9, который включает насадку 10 с разделительной лопаткой 11, а также конфузор 12, представляющий собой плавно сужающийся начальный криволинейный участок, камеру смешения 13, представляющую собой средний цилиндрический участок, и диффузор 14, представляющий собой плавно расширяющийся конечный участок внутреннего объёма эжекторного насоса 9. Конфузор 12, камера смешения 13 и диффузор 14 выполнены совместно в одной детали - во втулке 15.
Насадка 10 с разделительной лопаткой 11 и втулка 15 закреплены в корпусе с помощью резьбовой гайки 16.
Втулка 15 с одной стороны опирается на лопатку 11 насадки 10, а с другой удерживается гайкой 16. В гайке 16 внутренняя часть спрофилирована криволинейной формы и является продолжением диффузора 14 и соответствует форме лопаток рабочего колеса 2. Наружная поверхность лопастей 3 рабочего колеса 2 имеет криволинейную форму с увеличением кривизны от входа к выходу.
На выходе из рабочего колеса расположен сборник отводящего устройства центробежного насоса 17, состоящий из спирального диффузора 18 (фиг.2) и прямолинейного диффузора 19, переходящий в канал 20 для отвода жидкости высокого давления к потребителю. Непосредственно из канала 20 выполнен отбор рабочей жидкости, посредством канала 21, в кольцевую полость 22 перед насадкой 10.
В насадке 10, представляющей собой цилиндрическую втулку с разделительной лопаткой 11 (фиг.1), сопла выполнены на торце Т (фиг.2) и представляют собой дроссель (сопротивление), разделяющий высокое (активное) давление за центробежным насосом и низкое (входное) давление. Дроссель состоит из равномерно расположенных жиклёров 23 (фиг.4) на максимальном приближении к оси насадки.
При использовании насадки в виде трубы Вентури 24 (фиг. 5), сопла выполнены в тонкой диафрагме 25 в виде равномерно расположенных жиклёров 26 (фиг.6) на максимальном приближении к оси диафрагмы 25 (фиг.5), расположенной на выходе из насадки и закрепленной гайкой 27.
Насосный агрегат работает следующим образом
При вращении рабочего колеса 2 (фиг.1) с лопастями 3 центробежного насоса 1 во внутреннем объеме ЭН 9 создается разрежение, под действием которого жидкость через штуцер входа 7 и распределительную камеру 8, с расположенными в ней лопаткой 11 насадки 10 поступает к насосу. Лопатка 11 выполняет роль разделения потока на две части, для предотвращения закрутки потока перед входом в ЭН и исключения создания вихрей в потоке. Из распределительной камеры 8 рабочая жидкость через конфузор 12, камеру смешения 13 и диффузор 14 попадает к лопастям 3 центробежного насоса 1. При этом, согласно уравнению Бернулли, в плавно сужающемся криволинейном конфузоре 12 происходит постепенное уменьшение статического давления с возрастанием скорости потока рабочей жидкости по длине данного участка, с достижением минимального значения статического давления и максимальной скорости в камере смешения 13. В плавно расширяющемся участке эжекторного насоса — в криволинейном осесимметричном диффузоре 14, происходит обратный процесс увеличения статического давления за счёт динамического, который продолжается и в гайке 16, за счёт выполнения внутренней поверхности гайки криволинейной формы и её плавного сопряжения с диффузором 14.
При вращении приводного вала 4 с закрепленным на нём рабочим колесом 2 поток рабочей жидкости разгоняется и закручивается лопастями 3 на радиальном участке и отбрасывается в отводящее устройство центробежного насоса 17. Кинетическая энергия жидкости в спиральном 18 и в прямолинейном диффузоре 19 преобразуется в энергию давления, с получением максимального давления на выходе из диффузоров. На выходе из прямолинейного диффузора 19 основной поток рабочей жидкости поступает по каналу 20 к потребителю, а остальная часть через канал 21 к эжекторному насосу 9 - в полость 22 перед насадкой 10 с лопастью 11.
Эжекторный насос 9 работает за счет кинетической энергии потока жидкости высокого давления, подведенного к жиклёрам 23 (фиг.4), расположенных на торце Т (фиг.3), которые создают отдельные тонкие струи, выходящие с большим давлением в распределительную камеру 8 (фиг.1). Отдельные струи обеспечивают наибольшую площадь соприкосновения активного и пассивного потоков, по сравнению с одной сплошной струёй при применении обычного эжекторного насоса. За счет этого достигается улучшение смешивания активного потока из насадки 10 и пассивного потока рабочей  жидкости из входного штуцера 7. Струи активного давления увлекают за собой пассивный поток жидкости со входа, разгоняя его по всему объему распределительной камеры 8, без образования застойных зон, за счёт равномерного распределения жиклёров вокруг оси насадки 10, тем самым улучшается смешивание активного и пассивного потока, выравнивание давления по всему объёму распределительной камеры 8 и оптимизация работы эжекторного насоса. Таким образом кинетическая энергия активного потока высокого давления отдельных струй, выходящих из насадки 10, используется для сжатия и ускорения пассивного потока низкого давления со штуцера входа 7 в конфузоре 12 и камере смешения 13. Из-за уменьшения площади проходного сечения в камере смешения 13 создаётся разрежение во внутреннем объёме эжекторного насоса 9 с увеличением скорости потока. В последующем происходит торможение смешанного потока в диффузоре 14 и частично в гайке 16 с одновременным повышением давления перед центробежным насосом 1.
В эжекторном насосе на фиг.5 поток жидкости высокого давления разгоняется в насадке в виде трубы Вентури 24 и на выходе дозируется жиклёрами 26 (фиг.6), выполненными в тонкой диафрагме 25, с образованием тонких струй, направленных на конусную часть гайки крепления центробежного насоса. В дальнейшем струи с высоким давлением попадают в камеру смешения, где за счёт равномерного расположения жиклёров смешиваются по всему объёму камеры с пассивным потоком низкого давления со входа. За счет образования разрежения в эжекторном насосе 9 пассивное топливо поступает со штуцера входа 7 и разгоняется в конфузоре 12, смешиваясь в камере с отдельными струями активного потока.
Использование криволинейного диффузора 14 позволяет получить более равномерные поля скоростей и сократить его длину по сравнению с обычным конусным диффузором. Для криволинейных диффузоров устойчивая работа наблюдается лишь тогда, когда при потенциальном течении соблюдается постоянство градиента давления вдоль потока. Это условие соблюдается только в осесимметричных диффузорах.
Благодаря использованию предвключенного эжекторного насоса перед центробежным насосом и оптимизации его работы за счёт конструктивного выполнения насадки, а также использование конфузора и диффузора осесимметричной формы с криволинейной образующей позволяют снизить габариты и вес насосного агрегата. Насосный агрегат может работать при пониженном давлении на входе и при повышении газопаровой фазы в перекачиваемой жидкости, обеспечивая работоспособность в самых жёстких условиях эксплуатации в силовых установках. Тем самым улучшаются всасывающие характеристики и повышаются кавитационные запасы центробежного насоса, позволяя увеличить высотность летательных аппаратов при уменьшении габаритов и веса насосного агрегата.