ПОГРУЖНОЙ ЛАБИРИНТНО-ВИНТОВОЙ НАСОС
SUBMERGED LABYRINTH-SCREW PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидродинамическим насосам, и может использоваться в системах для нагнетания жидкости с наличием твердых частиц, в том числе для системы подачи топлива двигателя внутреннего сгорания.
s
Погружной лабиринтно-винтовой насос предназначен для подачи рабочей жидкости с напором и расходом, соответствующими малым значениям коэффициента быстроходности (n=5…30), например, для системы впрыска двигателя внутреннего сгорания, и может применяться в промышленности и быту для перекачки любых жидкостей предпочтительно с низкой вязкостью.
Широкое распространение в технике получили устройства с использованием лабиринтно-винтового насоса. Известен лабиринтный насос с приводом от электродвигателя (Голубев А.И. Лабиринтно-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. Москва. Машиностроение, 1981, с.77). Лабиринтно-винтовой насос позволяет обеспечить оптимальные гидравлические параметры, а именно расход, напор рабочего тела и коэффициент полезного действия, для устройств, требующих создания высокого давления при сравнительно небольших расходах рабочей жидкости. Примером наиболее предпочтительного его применения может послужить система подачи топлива инжекторного двигателя внутреннего сгорания. Однако применение такого электронасоса приводит к большим осевым габаритам конструкции по сравнению, например, с насосами вихревого или центробежного типа.
В настоящее время в системах подачи топлива инжекторных двигателей внутреннего сгорания применяются вихревые насосы (патент Германии № DE 3802057, 01.09.1988). Применение такого насоса позволяет уменьшить осевые габаритные размеры насоса по сравнению с лабиринтно-винтовым, описанным выше. Недостатком его является сложность конструкции. Производительность вихревого насоса обладает высокой чувствительностью к торцевым зазорам между крыльчаткой и боковыми стенками. Поэтому к торцевым поверхностям и материалам этих деталей предъявляются высокие требования, такие как износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства. В технике, как правило, требуется долговечность работы насоса при работе с рабочими жидкостями, содержащими механические примеси. Для предохранения трущихся деталей и проточного тракта от эрозионного износа на входе насоса устанавливают фильтр. Примером этого может послужить установка электробензонасоса в топливный бак автомобиля (патент Германии № DE 10328591, 18.05.2006; заявка Японии № JP 07180632, 18.07.1995; патент России № RU 2317436, 20.02.2008). Применение входного фильтра в данном случае гарантирует требуемые условия работы насоса по наличию и размерам твердых примесей в рабочей жидкости. Недостатком такой конструкции насоса является малый межремонтный цикл эксплуатации погружного насоса. В процессе эксплуатации фильтр постепенно засоряется, и пропускная способность его уменьшается, при этом перепад давления увеличивается. Из-за этого давление на входе в насос уменьшается и по достижении определенной величины наступает кавитационный режим работы, вплоть до полного отказа насоса. Кроме этого, при наступлении кавитационного режима работы происходит увеличение оборотов ротора и уменьшение расхода жидкости, что, в свою очередь, может привести к отказу насоса. При этом происходит нагрев опор вращения при ухудшении охлаждения как их самих, так и обмоток электродвигателя, если он используется в качестве привода. Использование такого устройства в системе подачи топлива двигателя внутреннего сгорания приводит к снижению надежности и ухудшению условий эксплуатации автомобиля в целом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является погружной лабиринтно-винтовой насос для перекачивания жидкостей, содержащий ротор, на наружной поверхности которого выполнены канавки вращающейся части насоса, и корпус, на внутренней аксиальной поверхности которого выполнены канавки невращающейся части насоса, а на торцевых поверхностях выполнены входной и выходной каналы (патент России №2265140, 27.11.2005).
Общеизвестно, что такой насос имеет значительно больший зазор между ротором и статором по сравнению с вихревым при прочих равных условиях. Поэтому для обеспечения длительного срока его бескавитационной работы можно использовать фильтр с большим размером ячеек, что также увеличит надежность и межремонтный цикл.
Хотя этот насос имеет лучшие свойства по сравнению с другими типами, но не исключает их полностью. Поэтому недостатками указанной конструкции насоса является сравнительно низкая надежность работы опор вращения насоса или ресурса, а также неудобство эксплуатации.
Недостаточная надежность и снижение долговечности работы изделия объясняется тем, что перекачиваемая жидкость, например, в случае автомобильного топлива, содержит микрочастицы ржавчины со стенок емкостей с рабочей жидкостью или твердые примеси, попадающие в топливный бак при заправке автомобиля, которые, попадая в опоры вращения, значительно снижают ресурс работы насоса. В случае использования фильтра на входе в насос с ячейками малого размера происходит достаточно быстрое «засорение» его. Таким образом, происходит снижение давления на входе и, как следствие, кавитационный режим работы насоса, из-за чего происходит уменьшение расхода жидкости.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение надежности, обеспечение длительного бескавитационного режима работы и удобства эксплуатации погружного лабиринтно-винтового насоса.
Технический результат достигается тем, что в погружном лабиринтно-винтовом насосе для перекачивания жидкостей, содержащем ротор, на наружной поверхности которого выполнены канавки вращающейся части насоса, и корпус, на внутренней аксиальной поверхности которого выполнены канавки невращающейся части насоса, а на торцевых поверхностях выполнены входной и выходной каналы, согласно изобретению на торцевой поверхности ротора со стороны входного канала выполнены лопатки, вход насоса соединен с периферийной полостью лопаток, которая соединена с чашеобразным отстойником посредством отверстий сброса посторонних примесей в корпусе насоса, причем дно отстойника имеет герметичное соединение с входной частью корпуса насоса между отверстием сброса посторонних примесей и отверстием, располагаемым на корпусе насоса как можно ближе к оси вращения ротора. Отверстие забора рабочей жидкости располагают в дне корпуса как можно ближе к оси вращения. В периферийной части лопаток образуется кольцевая полость, из которой в осевом направлении поток подается непосредственно на вход в насос, а в радиальном выполнены отверстия сброса примесей. Всасываемый поток, проходя через заборное отверстие, будет закручиваться лопатками. Посторонние примеси в виде твердых частиц и вязких жидкостей, имеющие большую плотность, под воздействием центробежных сил будут «отбрасываться» на периферию и отводиться через отверстия сброса, не проникая в кольцевой входной канал насоса.
Для сбора посторонних частиц и примесей используется чашеобразный отстойник. Предотвращение возврата примесей в отверстие забора рабочей жидкости обеспечивается герметичным соединением дна отстойника с корпусом насоса. Объем отстойника ниже уровня отверстий сброса выбирается таким, чтобы заполнение его превышало требуемый ресурс работы.
Такая конструкция лабиринтно-винтового насоса обеспечивает постоянное давление на входе в насос и бескавитационный режим работы с одновременным отделением примесей из рабочей жидкости и отказ от применения входного фильтра.
Суть технического решения предлагаемого изобретения поясняется на примере лабиринтно-винтового насоса, изображенного на чертеже.
Погружной лабиринтно-винтовой насос содержит корпус 1, на внутренней аксиальной поверхности которого выполнены канавки невращающейся части насоса -многозаходная резьба 2, и ротор 3, установленный внутри корпуса 1 на опорах вращения 4 и 5, на наружной поверхности которого выполнены канавки вращающейся части насоса - многозаходная резьба 6, которая с резьбой 2 корпуса 1 образуют проточный тракт насоса. На торцевых поверхностях насоса выполнены входной и выходной каналы 12, 13. На торцевой поверхности ротора 3 со стороны входного канала 12 выполнены лопатки 7. Вход насоса - входной канал 12 соединен с периферийной полостью 11 лопаток 7, которая соединена с внутренней полостью 16 чашеобразного отстойника посредством отверстий 10 сброса посторонних примесей в корпусе 1 насоса, выполненных напротив периферийной части лопаток 7. Отстойник образован наружной стенкой 17, дном 18 и внутренней стенкой 19. Дно 18 отстойника имеет герметичное соединение 20 с входной частью корпуса 1 между отверстием 10 сброса посторонних примесей и отверстием 9, располагаемым на дне 8 корпуса 1 насоса как можно ближе к оси вращения ротора 3. В дне 8 корпуса 1 установлена опора вращения 4. Выходной канал 13 проточного тракта насоса соединен с напорной магистралью через отверстия 14, выполненные во втулке 15.
В рабочем положении насос погружается в рабочую жидкость, при этом уровень ее должен быть, по крайней мере, выше отверстия 9. При вращении ротора 3 жидкость будет нагнетаться в напорную магистраль из проточного тракта насоса в выходную полость 13 через отверстия 14. Вращающиеся лопатки 7 на торце ротора 3 будут закручивать жидкость, создавая у их корня разрежение, а на периферии избыточное давление. Таким образом, рабочая жидкость с примесями будет проходить через отверстия 9 в межлопаточные радиальные каналы, где поток приобретет как радиальную, так и окружную скорости. При этом к более плотным примесям будет приложена большая центробежная сила, поэтому при попадании в кольцевую периферийную полость 11 они по инерции через отверстия 10 будут попадать в полость 16 отстойника. Основной поток будет поворачиваться в осевом направлении в кольцевой входной канал 12 и на вход проточного тракта насоса.
Скорость потока, выходящего из отверстий 10 в полость 16 отстойника, резко уменьшится, и твердые частицы под собственным весом будут осаждаться на дно 18 отстойника. Объем полости 16 отстойника ниже уровня отверстий 10 должен быть таким, чтобы обеспечивался сбор примесей в течение необходимого ресурса работы насоса. Высота стенки 17 определяется таким образом, чтобы твердые частицы гарантированно оставались в полости 16 отстойника.
Настоящее изобретение может быть применено во многих отраслях машиностроения, так как для его внедрения в производство не требуется специальной технологии, а экономический эффект может быть существенным.