Щелевое уплотнение-демпфер центробежного насоса
CENTRIFUGAL PUMP SLIT SEAL-DAMPER

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано в турбонасосостроении (ТНА) ЖРД и в авиационной технике, где необходима высокая надежность центробежного насоса при многократном запуске насоса и на переходных режимах работы по оборотам.
Известна конструкция классического щелевого уплотнения колеса центробежного насоса (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г, стр. 238, рис. 10.35а).
Так же известна конструкция высокооборотного центробежного электронасоса ЖРД малой тяги межорбитального транспортного корабля, взятого за прототип (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г, стр. 207, рис. 10.9).
В данной конструкции в качестве опор применяются шариковые подшипники качения. Недостатком данной конструкции центробежного электронасоса является ограниченная работоспособность подшипников качения при многократных включениях для подачи компонентов в камеры сгорания корректирующих ЖРД малой тяги и с длительными перерывами между запусками. Это объясняется тем, что при каждом начале запуска подшипники работают «всухую», без охлаждения компонентом, т.к. после останова компонент удаляется из полости насоса и, соответственно, из подшипников. При запуске «всухую» в первую очередь изнашивается сепаратор, что и уменьшает ресурс работы подшипника и всего насоса. Поэтому для высокооборотных и высокоресурсных насосов ТНА ЖРД при большом количестве пусков и остановов целесообразно применять бесконтактные подшипники (гидростатические или гидродинамические подшипники скольжения (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г, стр. 253, рис. 10.48).
Следует отметить, что большинство роторов центробежных насосов конструктивно выполнены «гибкими», т.е. во время роста оборотов ротор проходит первую критическую скорость вращения - это резонансные обороты, когда наблюдается наибольший прогиб вала насоса. При этом резко возрастают радиальные нагрузки на подшипники качения и возникает возможность механического касания уплотнительного выступа (буртика) колеса о плавающее кольцо, что может привести к разрушению как подшипника, так и плавающего кольца (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г, стр. 304, рис. 11.30).
Для повышения работоспособности и безопасного прохождения ротором резонансного участка запуска широко применяются конструкции опор, где подшипник связан с корпусом насоса через упругое демпферное кольцо (см. книгу под редакцией профессора Г.Г. Гахуна «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, «Машиностроение», 1989 г, стр. 251, рис. 10.47а).
Однако в высокооборотных и высокоресурсных насосах ТНА ЖРД применение упругих демпферных колес невозможно из-за конструктивных особенностей бесконтактных подшипниковых опор и их особенностей работы.
Изобретение решает задачу обеспечения надежной работы центробежного насоса при прохождении первой критической (резонансной) скорости вращения методом гашения энергии колебания вращающегося в бесконтактных подшипниках ротора центробежного насоса.
Для этого в щелевом уплотнении центробежного насоса плавающее кольцо выполнено из отдельных секторов, а между уплотнительной поверхностью корпуса насоса и плавающим колесом коаксиально установлено упругое демпферное кольцо.
При таком исполнении щелевого уплотнения центробежного насоса упругое демпферное кольцо гасит энергию колебания ротора центробежного насоса при прохождении первой (резонансной) критической скорости вращения и обеспечивает безаварийную работу насоса при наборе оборотов и при останове, устраняя механическое касание выступа центробежного колеса об плавающее кольцо.
Изобретение поясняется чертежами:
На Фиг. 1 - продольный разрез щелевого уплотнения-демпфера центробежного насоса; на Фиг. 2 - поперечный разрез щелевого уплотнения, сделанный по сечению А-А; на Фиг. 3-конструкторские варианты выполнения плавающего кольца на отдельные сектора, на Фиг. 4 -конфигурация упругого демпферного кольца (пример конструкторского исполнения).
Щелевое уплотнение-демпфер центробежного насоса включает корпус насоса 1 с уплотнительной поверхностью 2, плавающее кольцо 3 с отдельными секторами 6, центробежное колесо насоса 4 с уплотнительным выступом (буртиком) 5 и упругое демпферное кольцо 7.
В процессе роста оборотов ротора центробежного насоса (частота вращения) обороты приближаются к критическим оборотам (резонансной частоте колебания ротора). При прохождении критических чисел оборотов происходит максимальный изгиб ротора, что ведет к изменению радиального зазора между уплотнительным выступом 5 центробежного насоса 4 и внутренней поверхностью плавающего кольца 3. С одной стороны, указанный зазор уменьшается, а с противоположной стороны зазор увеличивается. В уменьшенном зазоре давление рабочей жидкости падает, а в увеличенном зазоре давление вырастает, что приводит к появлению перепада давления рабочей жидкости и возникновению радиальной силы, которая воздействует на плавающее кольцо. Вследствие того, что плавающее кольцо 3 выполнено из отдельных секторов 6, оно может изменять свою геометрию и в зоне деформации передавать радиальную силу на упругое демпферное кольцо 7, вызывая его упругую деформацию. Таким образом упругая деформация кольца 7 гасит энергию колебания ротора и уменьшает амплитуду колебания ротора центробежного насоса при прохождении первой критической скорости вращения. Все зазоры между отдельными щелевого уплотнения-демпфера выбираются конструктивно в процессе доводки насоса.
Использование изобретения позволит повысить надежность работы центробежного насоса на бесконтактных подшипниках за счет уменьшения прогиба ротора при прохождении критических (резонансных) чисел оборотов (уменьшения амплитуды колебаний) и устранения механического касания уплотнительного выступа 5 центробежного колеса 4 о внутреннюю поверхность плавающего кольца 3.