ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
AUGER-IMPELLER 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.
Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, опубл. 10.03.1998, содержащий корпус и установленные на валу шнек и крыльчатку со ступицей. 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.
Изобретение направлено на улучшение антикавитационных свойств насоса.
Технический результат достигается за счет того, что шнекоцентробежный насос, содержащий корпус и установленные на валу шнек и крыльчатку со ступицей, согласно изобретению снабжен дополнительным валом с установленным на нем дополнительным шнеком, конической фрикционной и магнитной муфтами, гидротурбиной, автоматом управления нагрузкой шнека, включающим стакан с пружиной, и внутренней пружиной, причем шнеки выполнены с втулками и бандажами, на наружной и внутренней конических поверхностях которых размещены фрикционные накладки фрикционной муфты, сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины установлены во внутренней полости ступицы крыльчатки, при этом рабочее колесо гидротурбины через магнитную муфту связано с дополнительным валом, который установлен с возможностью осевого перемещения, подпружинен относительно торца ступицы и на котором зафиксирован стакан автомата управления нагрузкой, пружина которого установлена внутри стакана с упором с одной стороны во внутренний торец стакана, а с другой - в торец втулки дополнительного шнека со стороны входа насоса
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично приведен продольный разрез насоса;
на фиг.2 - узел А на фиг.1.
Шнекоцентробежный насос содержит установленные на валу 1 в корпусе 20 шнек 4 и крыльчатку 2 со ступицей 3. Крыльчатка 2 и шнек 4 жестко связаны с валом 1, например, посредством шпонки или шлицевого соединения Насос снабжен дополнительным валом 13 с установленным на нем дополнительным шнеком 5, конической фрикционной и магнитной муфтами 7 и 31, гидротурбиной, автоматом 10 управления нагрузкой шнека 5, включающим стакан 12 с пружиной 11, и внутренней пружиной 33. Шнеки 4, 5 выполнены с втулками 9 и бандажами 6, на наружной и внутренней конических поверхностях которых размещены фрикционные накладки 8 фрикционной муфты 7 (фиг.2). При этом наклон α установки фрикционных накладок 8 выполнен таким, что утечки перекачиваемого продукта, проходящие между ними, встречаются с утечками между крыльчаткой 2 и бандажом 6, запирая оба гидравлических канала, тем самым уменьшая величину утечек, что в целом повышает КПД насоса. Сопловой аппарат 29 и рабочее колесо 30 гидротурбины установлены во внутренней полости 28 ступицы 3 крыльчатки 2. Рабочее колесо 30 гидротурбины через магнитную муфту 31 связано с дополнительным валом 13, который установлен с возможностью осевого перемещения и подпружинен относительно торца ступицы 3 внутренней пружиной 33. На валу 13 зафиксирован стакан 12 автомата 10 управления нагрузкой, пружина 11 которого установлена внутри стакана 12 с упором с одной стороны во внутренний торец стакана 12, а с другой - в торец втулки 9 дополнительного шнека 5 со стороны входа насоса. Стакан 12 прижат к дополнительному валу 13 болтом 14 и закрыт с противоположной стороны крышкой 15. На торце крышки 15 или и на торцах втулки 9 шнека 5 выполнены контактные кольца 16. Контактные кольца 16 необходимы для предотвращения износа торцов втулки 9 шнека 5, имеющего частоту вращения, значительно отличающуюся от частоты вращения дополнительного вала 13 и крыльчатки 2. Крышка 15 зафиксирована от проворота штифтом 17 (фиг.1), установленным в стакане 12 и выступающим в продольном пазу 18 для обеспечения осевого перемещения крышки 15 относительно стакана 14, что необходимо для работы автомата 10 управления нагрузкой шнека 5.
Вал 1 установлен в основном подшипнике 19, который, в свою очередь, установлен в корпусе 20. К корпусу 20 подстыкованы входной корпус 21 с входной полостью 22 и выходной корпус 23 с выходной полостью 24. Между шнеком 4 и крыльчаткой 2 выполнена полость 25. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 26, отделяющее выходную полость 24 от разгрузочной полости 27. Разгрузочная полость 27 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 19.
В ступице 3 выполнены отверстия 32, выходящие из полости крыльчатки 2 во внутреннюю полость 28 для возврата утечек перекачиваемого продукта, используемого для привода рабочего колеса 30 гидротурбины, внутрь крыльчатки 2. Внутрення пружина 33 установлена на дополнительном валу 13 и упирается одним концом в буртик 34 дополнительного вала 13, а другим концом - в торец ступицы 3.
При работе пружина 11 упирается одним торцом в торец стакана 12, другим - в торец крышки 16 и далее максимально (до соприкосновения) сближает фрикционные накладки 8 фрикционной муфты 7. При этом зазор (фиг.2) между накладками 8 уменьшается, и мощность, передаваемая магнитной муфтой 7, возрастает. При запуске насоса дополнительный шнек 5 вращается с той же скоростью, что и крыльчатка 2 и шнек 4, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим давление перекачиваемого продукта в полости 25 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 4. Но, в то же время, из-за большой скорости вращения крыльчатки 2 могут создаться условия возникновения кавитации на входе в крыльчатку 2. Повышенное давление в полости 25 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 11 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится. Зазор между фрикционными накладками 8 муфты 7 увеличится, и автоматически уменьшится крутящий момент (мощность), передаваемый с вала 1 на шнек 5. Частота вращения дополнительного шнека 5 уменьшится, и улучшатся условия для предотвращения кавитации на входе в него. Шнек 5 будет приводиться только за счет вращения рабочего колеса 30 гидротурбины, мощность которой составляет от 1 до 10% от мощности привода. Рабочее колесо 30 гидротурбины будет работать на расходе утечек перекачиваемого продукта, который проходит через уплотнение 26 во внутренние полости 27 и 28 через сопловой аппарат 29 гидротурбины. Частота вращения шнека 5 уменьшится за счет того, что мощность, создаваемая рабочим колесом гидротурбины 30, невелика из-за ее небольших габаритов и малого расхода циркулирующего перекачиваемого продукта, в результате чего магнитная муфта 37 будет работать с проскальзыванием. Из-за снижения частоты вращения дополнительного вала 13 улучшатся условия для предотвращения кавитации на входе в шнек 4.
При падении давления в полости 25 происходит обратный процесс, т.е. дополнительный шнек 5 перемещается в сторону крыльчатки 2, тем самым процесс регулирования нагрузки на фрикционным муфту 7 будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит кавитационные свойства насоса, например при частоте вращения вала 100000 об/мин можно получить скорость вращения дополнительного 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 следующее.
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения дополнительного шнека 5, использовать консольную схему размещения пружин 11 автомата 10 управления нагрузкой шнека 5 внутри стакана 12 на валу 13.
2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.
3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет размещения фрикционной муфты 7 с большой конической поверхностью на большом диаметре - на наружной и внутренней поверхностях бандажей 6 шнеков 4, 5.
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. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса.