Центробежный насос
CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области лопаточных центробежных топливных насосов, а более конкретно - к системам, обеспечивающим включение насоса с одновременным охлаждением, как трущихся поверхностей торцевого уплотнения, так и его рабочего колеса и окружающие последний близлежащие детали.
Известен центробежный насос, содержаний установленный на валу основной и вспомогательный рабочие колеса, снабженные на входе одним и тем же центральным входным запорным устройством, а на выходе - раздельными выходными запорными устройствами, связанными с одним и тем же потребителем, причем лопатки вспомогательного рабочего колеса расположены концентрично лопаткам основного рабочего колеса с его наружной стороны на его передней стенке со стороны входа в основное колесо и имеют диаметр меньше, чем диаметр лопаток основного рабочего колеса (см. патент США №4643635 НКИ 4I5-I, 1987).
В данном устройстве топливо в центробежный насос подводится через центральное запорное устройство, выполненное в виде заслонки, образующей с седлом концентричной проходное сечение и связанное через шток с сервопоршнем, полости которого гидравлически соединены с командным узлом. В зависимости, от команду, поступающей от этого узла, заслонка по отношению к седлу занимает определенное положение, в результате чего топливо может через определенное проходное сечение поступать к лопаткам основного и вспомогательного рабочего колес. На выходе каждого рабочего колеса установлено свое выходное запорное устройство, через которое топливо подводится к одному и тому же потребителю.
Лопатки основного и вспомогательного колес связаны друг с другом, и имеют разные диаметры, причем диаметр основного колеса больше диаметра вспомогательного колеса. Лопатки вспомогательного колеса расположены концентрично лопаткам основного колеса на его передней стенке со стороны входа в основное колесо. Такое расположение обеспечивает подключение вспомогательного колеса к работе при небольшом открытии заслонки центрального входного запорного устройства. В то же время основное колесо не подключается к работе. Благодаря такому подключению, во-первых, на режимах малой производительности  и больших частот вращения исключается кавитация и связанная с ней эрозия металла, а во-вторых, снижается подвод энергии к качающему узлу, что позволяет снизить нагрев деталей насоса. При максимальном раскрытии заслонки относительно седла входного запорного устройства в работу вступает основное рабочее колесо.
Недостатком работы данного насоса является то, что на режиме холостого хода, когда подвод топлива к насосу отсутствует, происходит сильный нагрев торцевого уплотнения, входящего в состав узла уплотнения, который препятствует проникновению топлива в масляную систему насоса и масла в рабочую полость насоса. Это приводит к сильному износу деталей торцевого уплотнения и к снижению надежности работы всего насоса.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является центробежный насос, содержащий установленное на валу рабочее колесо, снабженное на входе и выходе входным и выходным запорными устройствами и расположенное в рабочей полости насоса, связанной с откачивающим устройством, узел уплотнения, установленный на валу и разметенный в промежуточной полости насоса, соединенный с рабочей полостью через радиальный зазор, образованный цилиндрической ступицей рабочего колеса и корпусом, и через торцевой зазор, образованный торцевой нерабочей поверхностью колеса и корпусом, и полость низкого давления, расположенная перед подкачивающим наосом, связанным с вход нов полостью центробежного насоса (см. техническое описание на форсажный насос Н-47 ОП-2, изданное предприятием МАКБ "Темп" 1970).
В данном устройстве топливо к рабочему колесу насоса подводится через центральное входное запорное устройство, выполненное в виде клапана, заслонка которого с одной стороны под действием пружины находится на седле, а с другой - связана через шток с сервопоршнем, командная полость которого соединена с командным узлом. В зависимости от команды, поступающей от «того узла, заслонка занимает определенное положение относительно седла, в результате чего на лопатки рабочего колеса подводится определенное количество топлива.
При вращении рабочего колеса под действием центробежных сил топливо направляется в выходной канал, где давление его повышается. Под действием этого давления заслонка выходного запорного устройства открывается, и топливо направляется к потребителю.
На тех режимах, когда потребителю не требуется топлива, рабочее колесо вращается вхолостую, а заслонка входного валового устройства под действием пружины садится на седло. Вал, на котором находится рабочее колесо, вращается на подшипниках, для смазки которых подводится масло, которое одновременно играет роль отводчика тепла от вращающихся деталей насоса.
Для исключения попадания масла в рабочую полость насоса и попадания топлива из этой полости в масляную полость, в конструкции насоса предусмотрен узел уплотнения, в состав которого входит торцевое уплотнение. Оно, как и весь увел уплотнения, омывается маслом, что позволяет отвести от него часть тепла, как на основном режиме, так и на холостом ходу, когда подвод топлива к рабочему колесу отсутствует. Во время холостого хода в работу вступает откачивающее устройство, которое не только удаляет из рабочей и вспомогательной полостей просачивающееся топливо и масло, но продувает воздухом эти полости. В состав откачивающего устройства входит клапан продувки и сброса. На холостом ходу клапан продувки открывается, соединяя атмосферу с рабочей полостью насоса, которая через заэоры связана с промежуточной полостью. Засасываемый воздух вентилируют эти полости и затем выбрасывается через клапан сброса. Такое выполнение в некоторой степени охлаждает торцевое уплотнение, но этого не достаточно, чтобы уплотнение работало надежно. На рабочих режимах эти клапаны закрыты, обеспечивая достаточную герметичность с целью исключения проникновения воздуха внутрь рабочего колеса.
Недостатком данного устройства является то, что на холостом ходу торцевое уплотнение недостаточно эффективно охлаждается и поэтому надежность работы этого узла насоса снижается.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы насоса и повышение его ресурса.
Указанная цель достигается тем, что в центробежном насосе, содержащем установленное на валу рабочее колесо, входное запорное устройство, выполненное в виде седла и клапана, закрепленного на одном конце штока, на другом конце которого установлен сервопоршень, поджатый пружиной с одной стороны и управляющим делением с другой стороны, выходное запорное устройство, узел уплотнения, установленный на валу и размещенный в промежуточной полости насоса, соединенный с рабочей полостью, в которой установлено рабочее колесо, и полость низкого давления, расположенная перед подкачивающим насосом, связанным с входной полостью насоса, дополнительно введен жиклер, установленный с промежуточной полостью, в магистрали, связывающей входную полость насоса, с промежуточной полостью, а откачивающее устройство выполнено в виде эжектора, сопло которого непосредственно связано с рабочей полостью, а вход камеры - с входной полостью насоса, а ее выход - с полостью низкого давления, выходное запорное устройство выполнено в виде расположенного в корпусе седла и взаимодействующей с ним заслонкой, связанной с направляющей, снабженной гидравлическим тормозом и соединенной посредством рычага с закрепленным в корпусе шарниром, причем последний имеет сферическую форму, а рычаг установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен охватывающей шарнир вилкой.
Перечисленные выше новые признаки в данном насосе являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данное устройство от всех известных устройств. При наличии этих признаков в данном насосе мы добиваемся получение положительного аффекта, а именно, повышение надежной работы узлов центробежного насоса за счет эффективного охлаждения всех узлов, прилегающих к рабочему колесу на режиме холостого хода.
На фиг. 1 представлен данный центробежный насос, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1.
Центробежный насос содержит установленное на валу I рабочее колесо 2, перед которым размещено входное запорное устройство 3, а за ним - выходное запорное устройство 4, рабочая полость 5, в которой установлено рабочее колесо 2, узел 6 уплотнения, установленный на валу I и размещенный в промежуточной полости 7, которая соединена рабочей полостью 5 через радиальный зазор 8, образованный ступицей колеса 2 и корпусом 9 и через торцевой зазор 10, образованный торцевой нерабочей поверхностью 11 колеса и корпусом 9, полость 12 низкого давления, расположенная перед подкачивающим насосом 13, который связан с входной полостью 14 насоса.
В состав насоса, кроме того, входят дополнительный жиклер 15, установленный в магистрали 16, связывающей входную полость 14 насоса с промежуточной полостью 7, эжектор 17, входящий в состав откачивающего устройства, и сопло I8 которого непосредственно связано с рабочей полостью 5 насоса, камера I9 эжектора, вход 20 которой связан с входной полостью 14 насоса, а ее выход 21 - с полостью 12 низкого давления. Входное запорное устройство 3 выполнено в виде заслонки 22 и седла 23, причем заслонка 22 связана через шток 24 с подпружиненным сервопоршнем 25, командная полость 26 которого связана с блоком управления (на чертеже не указан).
Выходное запорное устройство 4 выполнено в виде расположенного в корпусе седла 27 и взаимодействующей с ним заслонки 28, связанной с направляющей 29, снабженной гидравлическим тормозом и соединенной посредством рычага 30 с закрепленным в корпусе шарниром 31, который имеет сферическую форму, а рычаг 30 установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен охватывающей шарнир 31 вилкой 32.
Насос работает следующим образом.
В данном описании рассматривается работа центробежного насоса, рабочее колесо 2 которого вращается от коробки приводов газотурбинного двигателя. Для исключения кавитации на лопатках рабочего колеса предусмотрен подкачивающий насос 13, который с одной стороны связан с топливным баком (на чертеже не указан), а с другой - с входом 14 центробежного насоса.
На определенных режимах, когда необходим подвод топлива к потребителю, подается давление рабочей жидкости в полость 26 подпружиненного сервопоршня 25. Последний под действием этого давления смещается,  увлекая за собой через шток 24 заслонку 22, которая отходит с от седла 23, и топливо через это седло начинает поступать на рабочие лопатки колеса 2. Во время вращения рабочего колеса топливо отбрасывается к его периферии и затем направляется в расширяющийся выходной патрубок, где происходит уменьшение скорости и повышение выходного давления топлива. Это давление действует на поворотную заслонку 28 выходного запорного устройства 4, причем эта заслонка сначала приподнимается на величину зазора "А", упираясь своим рычагом 30 в шарнир 31, а затем начинает поворачиваться, сжимая пружину направляющей 29, в теле которой выполнено отверстие. Во время движения направляющей 29 рабочая жидкость, находящаяся внутри последней, через это отверстие начинает постепенно вытесняться, обеспечивая плавный поворот заслонки 28, и топливо, минуя ее, направляется к потребителю.
В тот момент, когда требуется прекратить подвод топлива к потребителю, подается команда на снижение давления в полости 26 сервопоршня 25, который под действием своей пружины смещается вместе с заслонкой 22 к седлу 23, закрывая ее. Подача топлива на лопасти рабочего колеса 2 прекращается, и поворотная заслонка 28 под действием своей пружины садится на седло 27.
Рабочее колесо 2, связанное с коробкой приводов двигателя, продолжает вращаться с определенной частотой вращения. Для охлаждения узла уплотнения 6 в насосе предусмотрен жиклер 15, через который топливо из полости 14 направляется в промежуточную полость 7, откуда оно поступает через радиальный зазор 8 и торцевой зазор 10 в рабочую полость 5 и далее к соплу 18 эжектора 17 откачивающего устройства.
Одновременно топливо из полости 14 направляется к входу 20 камеры эжектора 17, где происходит эжектирование топлива, находящегося в сопле 18. После этого топливо сливается в полость 12 низкого давления, связанную с подкачивающим насосом 13.
Использование предлагаемого устройства в данном насосе позволяет эффективно отводить тепло от узла 6 уплотнения и обеспечить надежную работу всего насоса. Кроме того, выполнение в данном насосе выходного запорного устройства позволяет осуществить более плавное открытие поворотной заслонки 28, что исключает падение деления перед потребителем.