ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
TWO-STAGE CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий авиационной и ракетной техники, а также в других областях техники.
Известен двухступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, размещенные в корпусе вал, установленный на подшипниках, и две неподвижные относительно корпуса втулки, в выточках каждой из которых размещено одно из двух закрепленных на валу рабочих колес, выход первого из которых через переводной канал сообщен со входом второго рабочего колеса (В.В. Малюшенко, «Динамические насосы», атлас, М., «Машиностроение», 1984 г, стр. 58, рис. 97, лист 36). Недостатком этого двухступенчатого центробежного насоса является сложность конструкции, что вызвано наличием двух подвижных уплотнений с каждой стороны вала насоса.
Этого недостатка лишен двухступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, размещенные в корпусе вал, установленный на подшипниках, две неподвижные относительно корпуса втулки, в выточках каждой из которых размещено одно из двух закрепленных на валу рабочих колес, выход первого из которых через переводной канал сообщен со входом второго рабочего колеса, и одно подвижное уплотнение, отделяющее жидкостную полость от подшипников вала насоса (В.В. Малюшенко, «Динамические насосы», атлас, М., «Машиностроение», 1984 г, стр. 68, рис. 113, лист 46).
Недостатком этого двухступенчатого центробежного насоса является низкий ресурс, что вызвано значительными осевыми и радиальными усилиями на подшипники вала насоса. Значительные осевые усилия на подшипниках вызваны тем, что осевые усилия от обоих рабочих колес направлены в одну сторону, так как входы колес обращены в одну и ту же сторону. Значительные радиальные усилия в подшипниках вызваны консольным закреплением рабочих колес на валу. Большое плечо от радиальных усилий на рабочих колесах приводит к увеличению радиальных усилий в подшипниках, особенно в ближайшем к рабочим колесам подшипнике. Радиальные усилия на рабочих колесах возникают неизбежно из-за несимметричности отвода насоса и обязательно присутствующей несбалансированности колес и вала. Хотя допустимый дисбаланс ограничен оговоренным в конструкторской документации значением, он может увеличиваться при работе насоса из-за износа беговых дорожек подшипников, что обязательно приведет к перекашиванию вала насоса от теоретического положения и, вследствие большого плеча консоли, значительно увеличит нагрузки на подшипники от расчетной нагрузки от заданного в документации дисбаланса. Другим недостатком этого двухступенчатого центробежного насоса является значительный осевой габарит из-за последовательного размещения на валу двух рабочих колес и двух подшипников.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является повышение ресурса за счет снижения нагрузок на подшипники и уменьшение осевого габарита.
Этот результат достигается за счет того, что в известном двухступенчатом центробежном насосе, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, размещенные в корпусе вал, установленный на подшипниках, и две неподвижные относительно корпуса втулки, в выточках каждой из которых размещено одно из двух закрепленных на валу рабочих колес, выход первого из которых через переводной канал сообщен со входом второго рабочего колеса, согласно изобретению, в корпусе выполнена цилиндрическая расточка, в которой размещены две втулки и размещенный между ними вкладыш, причем выточки обеих втулок обращены к вкладышу, а первое и второе рабочие колеса обращены своими входами в противоположные стороны от вкладыша, подшипники размещены во внутренней полости вкладыша, переводной канал выполнен на наружной поверхности вкладыша с выходом на оба его торца, на ближайшем к вкладышу торце втулки, охватывающей первое рабочее колесо, а также на наружной поверхности и противоположном от вкладыша торце втулки, охватывающей второе рабочее колесо, при этом втулки и вкладыш выполнены с наружным диаметром, равным диаметру цилиндрической расточки корпуса, и насос снабжен упором, поджимающей обе втулки и размещенный между ними вкладыш к торцу цилиндрической расточки корпуса.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения двухступенчатого центробежного насоса, продольный разрез, на фиг. 2 и 3 - расчетные схемы для определения радиальных усилий в подшипниках для прототипа и предлагаемого устройства соответственно.
al
b1
a2
b2
Двухступенчатый центробежный насосный агрегат содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, размещенные в корпусе 1 вал 4, установленный на подшипниках 5, и две неподвижные относительно корпуса втулки 6 и 7. В выточках 8 и 9 втулок 6 и 7 соответственно размещены два закрепленные на валу рабочие колеса 10 и 11 - колесо 10 в выточке 8, колесо 11 в выточке 9. Колеса 10 и 11 закреплены на валу 4 посредством гаек 12 и 13. Выход 14 первого колеса 10 через переводной канал 15 (условно показан штриховой линией) сообщен со входом 16 второго рабочего колеса 11. В корпусе 1 выполнена цилиндрическая расточка 17, в которой размещены две втулки 6 и 7 и размещенный между ними вкладыш 18. Выточки 8 и 9 обеих втулок 6 и 7 обращены к вкладышу 18. Первое 10 и второе 11 рабочие колеса обращены своими входами 19 и 16 соответственно в противоположные стороны от вкладыша 18. Подшипники 5 размещены во внутренней полости 20 вкладыша 18. Переводной канал 15 выполнен на наружной поверхности 21 вкладыша 18 с выходом на оба его торца 22 и 23, на ближайшем к вкладышу 18 торце 24 охватывающей первое рабочее колесо 10 втулки 6, а также на наружной поверхности 25 и противоположном от вкладыша 18 торце 26 охватывающей второе рабочее колесо 11 втулки 7. Втулки 6 и 7 и вкладыш 18 выполнены с наружным диаметром, равным диаметру цилиндрической расточки 17 корпуса 1. Насос снабжен упором 27, поджимающей обе втулки 6 и 7 и размещенный между ними вкладыш 18 к торцу 28 цилиндрической расточки 17 корпуса 1. Неизменное угловое положение втулок 6 и 7 и вкладыша 18 относительно корпуса 1 обеспечивается посредством штифтов 29 и 30. Для соединения с приводным устройством (муфтой или электродвигателем, не показаны) вал 4 снабжен выступами 31. Переводной канал 15, как отмечено выше, выполнен в виде канавки 32 на торце 24 втулки 6, винтовой канавки 33 на наружной поверхности 21 вкладыша 18 с выходом на оба его торца 22 и 23, и канавки 34 на наружной поверхности 25 и противоположном от вкладыша 18 торце 26 втулки 7. Рабочие колеса 10 и 11 установлены на валу 4 на шпонках 35 и 36 соответственно. Для приведения вала 4 во вращение одновременно с обеспечением внешней герметичности насоса могут быть использованы либо герметичная муфта вместе с приводным электродвигателем любого типа (не показаны), либо герметичный электродвигатель (например, типа БК-2 по ОСТ В 16 0.515.054-80, имеющий герметизирующую металлическую гильзу между ротором и статором) с муфтой (не показаны). В расчетной схеме для определения радиальных усилий прототипа (фиг. 2) буквами А и В обозначены подшипники вала, буквой С - центр приложения инерционных сил, вызванных дисбалансом рабочих колес (для упрощения считаем, что инерционные силы от дисбаланса каждого колеса приложены в одной точке - посредине между колесами, инерционная сила на каждом колесе имеет значение Т, и силы от обоих рабочих колес направлены, в худшем случае, в одну и ту же сторону). Расстояние между подшипниками, а также расстояние между центром приложения инерционных сил, имеет значение «а». Под F обозначена общая инерционная сила от двух рабочих колес, численно равная 2Т, так как принято, что силы Т на обоих колесах направлены в одну и ту же сторону. R и R - величины радиальных сил в подшипниках А и В соответственно, уравновешивающих силы инерции. В расчетной схеме для определения радиальных усилий заявленного устройства (фиг. 3) буквами А и В обозначены подшипники вала, буквами D и Е - центры приложения инерционных сил, вызванных дисбалансом первого и второго рабочих колес соответственно, инерционная сила на каждом колесе имеет значение Т, и силы от обоих рабочих колес направлены, в худшем случае, в противоположные стороны - это вызывает максимальные радиальные силы R и R в подшипниках А и В соответственно, уравновешивающие силы инерции. Расстояние между подшипниками, как и в прототипе, имеет значение «а», расстояние между центром приложения инерционных сил на каждом колесе и центром ближайшего подшипника, имеет значение «а/4».
Двухступенчатый центробежный насос работает следующим образом: при вращении от приводного устройства (не показано) вала 4 он через шпонки 35 и 36 приводит во вращение рабочие колеса 10 и 11. Рабочее колесо 10 перекачивает жидкость от патрубка 2, своего входа 19 через канавки 32, 33 и 34 на вход 16 рабочего колеса 11. Рабочее колесо 11 перекачивает жидкость от своего входа 19 в патрубок 3. Поскольку первое 10 и второе 11 рабочие колеса обращены своими входами 19 и 16 соответственно в противоположные стороны от вкладыша 18, то осевые силы, воздействующие со стороны жидкости на колеса 10 и 11, частично уравновешивают друг друга, что снижает осевые усилия в подшипниках 5. Такой способ разгрузки подшипников от осевых сил в двухступенчатых центробежных насосах является традиционным (А.В. Бобков, «Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов», Владивосток, «Дальнаука», стр. 208, последний абзац). Однако в предложенном изобретении одновременно со снижением осевых усилий в подшипниках существенно снижаются относительно прототипа и радиальные усилия, что видно на фиг. 2 и 3. Из условия равенства моментов на валу относительно точки «А» (фиг. 2), получаем
b1
R=F=2T;
Из условия равновесия вала получаем
al
bl
R=F+R=4Т.
Таким образом, максимальное радиальное усилие в подшипнике А, определяющее долговечность насоса, равно 4Т.
Рассматривая расчетную схему заявленного устройства (фиг. 3), получаем следующее: из условия равенства моментов на валу относительно точки «А» (фиг. 2), получаем
b2
R=1,5Т;
Из условия равновесия вала получаем
a2
b2
R=R=1,5Т.
Таким образом, максимальное радиальное усилие в подшипнике А, равно максимальному радиальному усилию в подшипнике В и имеет вличину 1,5Т. Снижение максимального радиального усилия по сравнению с прототипом составляет 4Т/1,5Т=2,666… раз.
В результате использования изобретения повышается ресурс двухступенчатого центробежного насоса за счет снижения осевых и радиальных нагрузок на подшипники (снижение радиальных усилий в 2,67 раза) и уменьшается его осевой габарит (расстояние между рабочими колесами и дальним от них подшипником в прототипе приблизительно равно 2а (фиг. 2), расстояние между рабочими колесами в заявленном устройстве равно 1,5а (фиг. 3). Общий осевой габарит сокращается на половину значения базы между подшипниками, т.е. на величину 0,5а. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к использованию в агрегатах авиационной и ракетно-космической техники.