ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений.
Известен шнекоцентробежный насос, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения (RU 2094660 С1, 27.10.1997). Насос имеет плохие кавитационные свойства.
Наиболее близким к изобретению является центробежный насос, содержащий корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу (RU 2106534 С1, 10.03.1998). Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение кавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.
Задачей изобретения является улучшение кавитационных свойств насоса.
Технический результат достигается за счет того, что в центробежном насосе, содержащем крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы установлены промежуточный и внутренний валы со шнеками, имеющими возможность вращения независимо от крыльчатки в противоположных направлениях, при этом на концах промежуточного вала установлены соответственно первый шнек и рабочее колесо второй ступени биротативной гидротурбины, а на концах внутреннего вала - второй шнек и рабочее колесо первой ступени биротативной гидротурбины, сопловой аппарат первой ступени гидротурбины установлен в полости внутри ступицы, в ступице выполнены сквозные отверстия, соединяющие полость крыльчатки с полостью в ступице, после второй ступени биротативной гидротурбины выполнен канал перекуска для возврата перекачиваемого продукта между первым и вторым шнеками.
Канал перепуска может быть выполнен в виде несквозного осевого отверстия во внутреннем валу и радиальных отверстий, размещенных между шнеками и выходящих внутрь несквозного отверстия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена схема центробежного насоса, продольный разрез,
на фиг.2 - схема вращения шнеков,
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1.
Центробежный насос (фиг.1) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлена крыльчатка 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4 в корпусе 5. Промежуточный вал 6 проходит внутри ступицы 3 и установлен внутри нее, по меньшей мере, на одном промежуточном подшипнике 7. С одной стороны (со стороны входа в крыльчатку 2) на промежуточном валу 6 установлен второй шнек 8, а с другой стороны - рабочее колесо первой ступени биротативной гидротурбины 9. Сопловой аппарат первой ступени биротативной гидротурбины 10 установлен перед рабочим колесом первой ступени гидротурбины 9 (со стороны входа насоса). Внутренний вал 11 установлен внутри промежуточного вала 6 на подшипниках 12, установленных между валами 6 и 11. В качестве подшипников 7 и 12 могут быть применены подшипники скольжения или игольчатые подшипники. На одном конце внутреннего вала 11, со стороны входа в насос, установлен первый шнек 13, а на другом конце - рабочее колесо второй ступени биротативной гидротурбины 14. Рабочее колесо второй ступени биротативной гидротурбины 14 имеет бандаж 15, установленный в ступице 3, по меньшей мере, на одном подшипнике 16. Для восприятия осевых нагрузок на валы 6 и 11 служат контактные кольца 17, установленные на их торцах.
К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 18, имеющий полость «Б», и выходной корпус 19, имеющий полость «В». Между первым шнеком 13 и вторым шнеком 8 образована полость «Г». Между корпусом 5 и крыльчаткой 2 выполнено переднее уплотнение 20. Со стороны заднего торца крыльчатки 2 на ее ступице 3 выполнены заднее уплотнение 21 и разгрузочная полость «Д». Разгрузочная полость «Д» предназначена для уменьшения осевой нагрузки на подшипник 4. В ступице 3 крыльчатки 2 выполнены отверстия «Е», выходящие в полость «Ж» перед гидротурбиной, за рабочим колесом второй ступени биротативной гидротурбины 14 выполнена полость «И». Шнеки 8 и 13 (фиг.2) имеют соответственно лопасти 22 и 23, наклоненные в противоположные стороны.
Внутри внутреннего вала 11 выполнено несквозное отверстие «К» (фиг.1…3), в которое выходят радиальные отверстия «Л», размещенные между шнеками 8 и 13, служащие для возврата части расхода перекачиваемого продукта на вход в насос между шнеками 13 и 8. Если бы был осуществлен перепуск этого расхода перекачиваемого продукта на вход в шнек 13, как это всегда делается при наличии одного шнека, это бы ухудшило кавитационные характеристики насоса. Перепуск значительного расхода перекачиваемого продукта (10…15%) в зону относительно высокого давления - полость «Г» - не ухудшит кавитационные свойства насоса. Сбрасывать в дренаж столь значительный расход экономически нецелесообразно.
При включении привода (не показан) раскручивается вал 1 с крыльчаткой 2. Внутри крыльчатки 2 и на выходе из нее, т.е. в полости «В», повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (10%…15%) через отверстия «Е» поступает в полость «Ж» и далее проходит последовательно сопловой аппарат первой ступени биротативной гидротурбины 10, рабочее колесо первой ступени биротативной гидротурбины 9 и рабочее колесо первой ступени биротативной гидротурбины 14, при этом раскручиваются рабочие колеса биротативной гидротурбины 9 и 14 и соответственно валы 6 и 11 и шнеки 13 и 8, жестко закрепленные на этих валах. Шнеки 13 и 8 значительно повышают давление на входе в крыльчатку 2 вследствие того, что они вращаются в противоположные стороны, тем самым предотвращая кавитацию на входе в нее. Первый шнек 13 повышает давление между шнеками 13 и 8, т.е. в полости «Г», создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе во второй шнек 8. Даже с учетом перепуска подогретого перекачиваемого продукта и того, что относительные скорости вращения шнеков велики, кавитация на входе в шнек 8, установленный вторым по потоку, исключена. С учетом того, что первый шнек 13 вращается в 3…10 раз медленнее, чем крыльчатка 2, на его входе кавитация также исключена. Второй шнек 8 вращается со скоростью в 2…3 раза медленнее, чем крыльчатка 2, что также благоприятно сказывается на его кавитационных качествах. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 21, могут использоваться для смазки подшипника 4 и поступают в дренаж или на вход в насос или сбрасываются в атмосферу, если перекачиваемый продукт неядовитый и утечки перекачиваемого продукта небольшие.
Применение изобретения позволяет:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, вращающихся в разные стороны, создающих при этом значительное повышение давления на входе в крыльчатку. Кавитационные свойства насоса в целом и его шнеков, в частности, улучшаются также за счет уменьшения абсолютных скоростей вращения шнеков и увеличения относительных скоростей за счет их вращения в разные стороны. Вращение шнеков в противоположных направлениях обеспечивается биротативной турбиной.
2. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения крыльчатки до предельно допустимых по прочности значений.
3. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
4. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности. Применение биротативной турбины позволяет отказаться от соплового аппарата второй ступени биротативной турбины, упростить сборку и уменьшить ее осевые габариты и получить значительную мощность при небольших габаритах.
5. Применение бандажа для рабочего колеса второй ступени биротативной турбины и установка, по меньшей мере, одного подшипника на больший диаметр увеличивает жесткость валов и предотвращает их заклинивание.
6. Разгрузить осевые силы, действующие на валы насоса и на подшипники, т.к. осевые силы, создаваемые шнеком и гидротурбиной, направлены в противоположные стороны.
7. Уменьшить утечки перекачиваемого продукта в дренаж.
8. Увеличить КПД насоса за счет возврата перекачиваемого продукта, отбираемого для привода биротативной турбины.