Лопаточный насос
VANE PUMP

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано в насосах общего назначения и насосах авиационных и жидкостных ракетных двигателей.
В различных отраслях промышленности находят применение лопаточные (лопастные) центробежные и шнекоцентробежные насосы, в которых используются бесконтактные уплотнения рабочих колес. Одной из особенностей применения таких насосов являются утечки рабочей жидкости через переднее бесконтактное уплотнение рабочего колеса насоса, влияющие на коэффициент полезного действия и кавитационные характеристики насоса. Особенно этот вопрос актуален для насосов, прикачивающих криогенные жидкости.
Известна конструкция шнекоцентробежного насоса, состоящего из корпуса, рабочего колеса, шнека, уплотнения (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки» Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др.; Под общ. ред. Г.Г. Гахуна. - М.: Машиностроение, 1989. С. 211, рис. 10.12. Овсянников Б.В., Чебаевский В.Ф. и др. Высокооборотные лопаточные насосы. - М. Машиностроение, 1975. С. 203, рис. 3.43)
Недостатком такой конструкции является то, что отвод утечек на вход центробежного рабочего колеса искажает поле скоростей на входе в периферийную часть входных кромок колеса, которые наиболее склонны к развитию кавитационных явлений. В случае использования в насосе шнекоцентробежного рабочего колеса утечка в выходную часть шнека нарушает течение жидкости не только на входе в центробежное колесо, но и в шнеке, что ухудшает кавитационные характеристики и центробежного колеса и шнека.
Известен вариант конструкции лопаточного насоса, содержащие корпус, подвод насоса, рабочее колесо насоса с покрывным диском, бесконтактное уплотнение, расположенное на покрывном диске, направленные на минимизацию влияния указанных утечек на напорную и кавитационную характеристики. (Патент РФ 2380575. Шнекоцентробежный насос, опубликовано 27.01.2010 Бюл. №3).
Недостатками такой конструкции являются:
- увеличение диаметра уплотнения из-за расположения двух уплотнений покрывного диска друг над другом приводит к увеличению утечек через уплотнение и, как следствие, снижению его КПД и ухудшению кавитационных характеристик;
- наличие двух уплотнений, расположенных на покрывном диске, увеличивает длину и массу уплотнительного пояска, что для высокооборотного ротора может привести к ухудшению его динамических характеристик;
- сочетание зазоров в двух близкорасположенных уплотнениях может привести к возникновению динамической неустойчивости ротора из-за сочетания зазоров и гидравлического сопротивления в уплотнениях (эффект Ломакина).
Известен вариант конструкции лопаточного насоса, содержащие корпус, подвод насоса, рабочее колесо насоса с покрывным диском, бесконтактное уплотнение, расположенное на покрывном диске, направленные на минимизацию влияния указанных утечек на напорную и кавитационную характеристики, взятый за прототип.(Патент РФ 2534334. Шнекоцентробежный насос, опубликовано 27.11.2014 Бюл. №33 - прототип).
Недостатками такой конструкции являются:
- увеличение длины уплотнительного пояска приводит к смещению зоны ввода утечек после уплотнения, расположенного на покрывном диске к входу в рабочее колесо (шнек), что ухудшает кавитационные характеристики рабочего колеса и всего насоса;
- местный ввод утечки на вход насоса создает несимметричное поле температуры и скорости потока на входе в рабочее колесо, что приводит к ухудшению кавитационных качеств насоса.
- при работе насоса на криогенных компонентах, особенно на водороде, требуется надежная теплозащита трубопровода отвода утечек на вход в насос для исключения поступления в насос паров жидкости, ухудшающих антикавитационные качества насоса;
- наличие трубопровода отвода утечек на вход в насос усложняет конструкцию и увеличивает массу насоса, снижает надежность при его работе в составе двигателя из-за возможности разрушения трубопроводов от действия вибрационных нагрузок,
- наличие двух уплотнений, расположенных на покрывном диске, увеличивает длину и массу уплотнительного пояска, что для высокооборотного ротора может привести к ухудшению его динамических характеристик;
- сочетания зазоров в двух близкорасположенных уплотнениях может привести к возникновению динамической неустойчивости ротора из-за сочетания зазоров и гидравлического сопротивления в уплотнениях (эффект Ломакина).
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков лопаточного насоса, повышение его надежности и упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что в лопаточном насосе, содержащем корпус, подвод насоса, рабочее колесо насоса с покрывным диском, бесконтактное уплотнение, расположенное на покрывном диске, кольцевую полость на выходе из уплотнения, при этом кольцевая полость соединена с подводом перепускными каналами, выполненными в подводе, согласно изобретению кольцевая полость, выполнена со стороны подвода, непосредственно в его теле. Перепускные каналы могут быть выполнены расширяющимися в сторону подвода насоса. Площадь кольцевой полости может быть выполнена больше площади проходного сечения бесконтактного уплотнения. Площадь перепускных отверстий каналов может быть выполнена больше площади проходного сечения бесконтактного уплотнения. Площадь кольцевой полости и площадь перепускных каналов могут быть выполнены больше площади проходного сечения бесконтактного уплотнения.
Лопаточный насос представлен чертежами:
на фиг.1 изображен лопаточный насос с радиальным подводом;
на фиг. 2 – узел А на фиг.1;
на фиг. 3 – лопаточный насос с осевым подводом, где:
1 - корпус;
2 - подвод насоса;
3 - отвод насоса;
4 - рабочее колесо насоса;
5 - крыльчатка;
6 - шнек;
7 - покрывной диск;
8 - бесконтактное уплотнение;
9 - кольцевая полость;
10 - перепускные каналы.
Лопаточный насос состоит из корпуса 1 с радиальным подводом 2 (фиг.1-2) или осевым подводом 2 (фиг.3) и отводом 3, рабочего колеса 4 насоса. В варианте шнекоцентробежного насоса рабочее колесо 4 состоит из крыльчатки 5 и шнека 6. В варианте центробежного насоса рабочее колесо 4 состоит только из крыльчатки 5. Рабочее колесо 4 насоса выполнено с покрывным диском 7. На покрывном диске 7 рабочего колеса 4 расположено бесконтактное уплотнение 8, на выходе из которого, со стороны подвода 2 насоса, выполнена кольцевая полость 9, причем полость 9 выполнена непосредственно в теле подвода 2. Перепускные каналы 10 соединяют кольцевую полость 9 с подводом 2 насоса. Кольцевая полость 9 выполнена с площадью поперечного сечения, превышающей площадь проходного сечения бесконтактного уплотнения 8. Перепускные отверстия 10 выполнены с площадью, превышающей площадь проходного сечения бесконтактного уплотнения 8. Перепускные каналы 10 выполнены расширяющимися в сторону подвода 2 насоса.
При работе лопаточного насоса (фиг. 1-3) рабочее тело (жидкость) поступает из подвода 2 на вход в рабочее колесо 4. В варианте шнекоцентробежного насоса жидкость поступает сначала в шнек 6, а затем в крыльчатку 5. В варианте центробежного насоса жидкость поступает непосредственно в крыльчатку 5. Из рабочего колеса 4 насоса жидкость поступает в отвод 3, выполненный в корпусе 1, а часть жидкости через бесконтактное уплотнение 8, расположенное на покрывном диске 7, под действием перепада давления поступает в кольцевую полость 9, выполненную со стороны подвода 2, непосредственно в его теле, и через перепускные каналы 10 отводится в подвод 2 насоса, при этом отвод жидкости производится либо на удалении от рабочего колеса 4, а при наличии шнека 5 либо на удалении от него, либо в части подвода 2 насоса, примыкающей к периферийной части шнека 5. Отвод жидкости из кольцевой полости 9 через перепускные каналы 10 в подвод 2 насоса на удалении от рабочего колеса 4 минимизирует или исключает влияние утечек жидкости через бесконтактное уплотнение 8 на течение в проточной части рабочего колеса 4 насоса, что повышает антикавитационные качества насоса.
Превышение площади кольцевой полости 9 в поперечном сечении над площадью проходного сечения бесконтактного уплотнения 8 обеспечивает исключение возникновения динамической неустойчивости потока (эффекта Ломакина), что благоприятно сказывается на динамических характеристиках ротора насоса.
Превышение площади сечения перепускных каналов 10 над площадью проходного сечения бесконтактного уплотнения 8 при определенном сочетании площадей проходного сечения бесконтактного уплотнения 8, поперечного сечения кольцевой полости 9 и перепускных каналов 10, обеспечивает полное исключение утечек из бесконтактного уплотнения 8 на вход в рабочее колесо насоса 4. Это обеспечивает высокие антикавитационные качества насоса за счет исключения влияния утечек через бесконтактное уплотнение 8 на течение жидкости в проточной части рабочего колеса насоса 4 и в подводе 2 насоса. Так как сброс утечки на вход насоса производится через каналы 10, выполненные непосредственно в корпусе, ее ввод в поток равномерен и оказывает минимальное влияние на кавитационные характеристики насоса, выполнение каналов 10 непосредственно в корпусе насоса не требует их дополнительной теплоизоляции при использовании криогенного рабочего тела.
Расширяющиеся в сторону подвода 2 насоса перепускные каналы 10 обеспечивают низкую скорость жидкости на входе в проточную часть подвода 2 и минимальные потери давления в подводе из-за воздействия жидкости, вытекающей из перепускных каналов 10.
Экспериментальные исследования показали, что благодаря предлагаемому изобретению значительно улучшаются антикавитационные качества лопаточных насосов, особенно малоразмерных.