ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL SCREW 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.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.98 г, прототип. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение антикавитационных свойств насоса, 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.
Задача создания изобретения - улучшение антикавитационных свойств насоса.
Решение указанной задачи достигается в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус, шнек и установленную на валу крыльчатку со ступицей, тем, что согласно изобретению шнек установлен на дополнительном валу и закреплен на нем при помощи конической гайки, при этом дополнительный вал установлен с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, внутри ступицы крыльчатки выполнены внутренняя полость, в которой размещены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины таким образом, что образованы полости перед сопловым аппаратом гидротурбины и за рабочим колесом гидротурбины, рабочее колесо гидротурбины соединено через магнитную муфту с дополнительным валом, в крыльчатке выполнены отверстия, которые сообщают полость крыльчатки с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, во втулке и конической гайке выполнены радиальные отверстия, а в дополнительном валу - осевое отверстие для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос. В отверстиях, выполненных в крыльчатке, могут быть установлены жиклеры.
Сущность изобретения поясняется на чертеже.
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 и закреплен при помощи конической гайки 7. Крыльчатка 2 жестко связана с валом 1, например, посредством фланца. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т.е. вращения с различной частотой и осевого перемещения. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 8, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо гидротурбины 9. Перед рабочим колесом гидротурбины 9 установлен сопловой аппарат гидротурбины 10, который крепится внутри вала 1 во внутренней полости 11 и делит эти полости на две полости: полость 12 перед сопловым аппаратом гидротурбины 10 и полость 13 за рабочим колесом гидротурбины 9. Полость 12, отверстиями 14, выполненными в крыльчатке 2, сообщается с полостью крыльчатки 2. Полость 13 также сообщается со входом в насос при помощи радиальных отверстий 15, выполненных во втулке 8, осевого отверстия 16, выполненного внутри дополнительного вала 6 полости 17 внутри конической гайки 7 и радиальных отверстий 18, выполненных в гайке 7. В отверстиях 14 могут быть установлены жиклеры 19 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо гидротурбины 9.
Между дополнительным валом 6 и втулкой 7 выполнена магнитная муфта 20. Дополнительный вал 6 подпружинен с торца пружиной 21.
Подшипник 4 установлен в корпусе 22. К корпусу 22 подстыкован входной корпус 23 с входной полостью 24 и выходной корпус 25 с выходной полостью 26, между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнена полость 27. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 28, отделяющее выходную полость 26 от разгрузочной полости 29. Разгрузочная полость 29 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 установлен упорный подшипник 30, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере, один радиальный подшипник 31. Между втулкой 8 и ступицей 3 крыльчатки 2 установлен упорный подшипник 32. Втулка 8 установлена на радиальных подшипниках 33. Один из радиальных подшипников 33 установлен внутри ступицы 3 крыльчатки 2, а другой - внутри основного вала 1 в опоре 34.
При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2, за счет поджатия пружиной 19, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим давление перекачиваемого продукта в полости 27 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полости 27 создаст осевое усилие и переместит шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 21 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1. Это достигается за счет подбора мощности, создаваемой рабочим колесом гидротурбины 9 посредством жиклеров 19. Возврат отработавшего в гидротурбине перекачиваемого продукта возвращается на вход в насос, во-первых, на минимально возможном диаметре на конической части конической гайки, во-вторых, ввод этой части перекачиваемого продукта (5…10% от общего расхода) выполненяется на вход в низкооборотный шнек 5. Различные частоты вращения крыльчатки и шнека выполнены без применения редуктора.
При падении давления в полости 27 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 на дополнительном валу внутри втулки.
2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.
3. Спроектировать насос очень большой мощности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.
6. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.
7. Улучшить смазку магнитных подшипников.
8. Разгрузить осевые силы, действующие на роторы насоса, а именно на основной вал, дополнительный вал и втулку, на которой закреплено рабочее колесо гидротурбины.