ВЫСОКООБОРОТНЫЙ ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
HIGH-SPEED CENTRIFUGAL SCREW PUMP

Изобретение относится к технике высокооборотных шнекоцентробежных насосов для подачи различных жидкостей, в частности топлива, а именно к шнекоцентробежным насосам с трубчатыми или канальными направляющими, и может быть использовано, например, в ракетной технике.
Шнекоцентробежный насос представляет собой конструкцию, состоящую из рабочего колеса, которое закреплено на валу. Отвод (сборник) имеет спиральную форму. Рабочее колесо включает в себя передний и задний диски, между которыми закреплены лопатки. Между корпусом и рабочим колесом размещен неподвижный относительно отвода трубчатый направляющий аппарат. Пространство между рабочим колесом и направляющим аппаратом образует безлопаточный диффузор. Шнекоцентробежный насос имеет всасывающий и напорный трубопроводы, которые соединяются с корпусом насоса при помощи патрубков.
При работе шнекоцентробежного насоса вначале его корпус полностью заполняется жидкостью, затем начинается вращение рабочего колеса. В результате этого жидкость, находящаяся между лопатками рабочего колеса, отбрасывается от его центра к краям. Данный процесс осуществляется под действием центробежной силы. По краям рабочего колеса увеличивается давление. Благодаря повышению давления жидкость переходит в напорный трубопровод, одновременно с этим она начнет поступать и в насос. Осуществляется непрерывная подача жидкости. Недостатком шнекоцентробежных насосов является присущая им пульсация давления и вибрации, что приводит к появлению шума, особенно у насосов с высокой производительностью, для достижения которой насос работает на высоких оборотах.
Как показывает амплитудно-частотный анализ пульсаций давления и обусловленных этим вибраций в высокооборотных шнекоцентробежных насосах со спиральным сборником, основной вклад в уровень пульсаций давления и вибраций вносят амплитуды колебаний на лопаточных частотах рабочего колеса, т.е. на частотах мерцания лопаток рабочего колеса и кратных им. Эти колебания обусловлены неравномерностью поля давления, различием скоростей жидкости между лопатками рабочего колеса и возникают в момент выхода жидкости из межлопаточного канала. Колебания со скоростью звука в жидкости распространяются по спиральному сборнику, где встречаются с такими же колебаниями в жидкости, поступающей из других каналов направляющего аппарата. Фазы колебаний этих потоков меняются как за счет изменения режимов работы привода, так и за счет флуктуации оборотов насоса на установившихся режимах, что приводит к увеличению уровня пульсаций давления и вибрации в насосе и разбросам их уровней.
Другая составляющая уровня пульсаций давления и вибрации вызвана турбулентным течением жидкости в насосе и проявлением кавитации в жидкости. Эта составляющая имеет шумовой характер и распространена с большей или меньшей амплитудой по всему спектру частот.
Для уменьшения этого недостатка применяются различные технические решения, например выполнение на внутренней поверхности входного трубопровода расположенных равномерно по окружности продольных открытых с торцов пазов, а во входной части каждого паза - сквозных окон (см., например, патент РФ №1252558, МПК F04D 29/66, 23.08.1986).
Другим решением этой задачи является введение наружного кожуха, примыкающего с двух сторон к выходному патрубку и образующего с корпусом замкнутую камеру, корпус имеет отверстия, одно из которых расположено со стороны языка, а остальные - на противоположной языку стенке корпуса, причем общее количество отверстий равно числу лопаток (см., например, патент РФ №1450496, МПК F04D 29/66, 10.08.2006).
Наиболее близким к изобретению является высокооборотный шнекоцентробежный насос, содержащий рабочее колесо, трубчатый (канальный) направляющий аппарат, спиральный сборник с коническим диффузором (см. патент РФ №2216648, МПК F04D 29/44, 20.10.2000).
Однако все известные технические решения являются недостаточно эффективными, особенно у насосов с высокой производительностью, для достижения которой насос работает на высоких оборотах.
Задачей изобретения является создание высокооборотного шнекоцентробежного насоса с пониженным уровнем пульсаций давления и вибрации насоса.
Технический результат достигается тем, что в высокооборотном шнекоцентробежном насосе, содержащем рабочее колесо, трубчатый (канальный) направляющий аппарат, спиральный сборник с коническим диффузором, согласно изобретению спиральный сборник выполнен трубочным - в виде набора профилированных трубопроводов, входные отверстия каждого из которых соединены с соответствующими выходными отверстиями направляющего аппарата, а выходные отверстия примыкают к входному отверстию конического диффузора, имеют примерно одинаковую площадь и максимально заполняют входное отверстие конического диффузора.
В предлагаемом высокооборотном шнекоцентробежном насосе с трубчатым (канальным) направляющим аппаратом отвод жидкости после рабочего колеса, безлопаточного диффузора и каждого канала направляющего аппарата производится отдельными спиральными трубопроводами, спрофилированными для преобразования скорости жидкости в давление, одинаковое для выходов всех спиральных трубопроводов, открывающихся на выходе в общий конический диффузор.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показан пример реализации предложенного устройства. Следует отметить, что данный пример не охватывает все возможные варианты данного технического решения, которое может быть использовано в различных конструктивных решениях высокооборотных шнекоцентробежных насосов.
На фиг.1 показано поперечное сечение предлагаемого насоса; на фиг.2 - сечение вдоль вала насоса.
На фигурах обозначены рабочее колесо 1, трубчатый (канальный) направляющий аппарат 2, спиральный сборник 3 с коническим диффузором 4. Спиральный сборник 3 выполнен трубочным - в виде набора профилированных трубопроводов 5, входные отверстия 6 каждого из профилированных трубопроводов 5 соединены с соответствующими выходными отверстиями 7 направляющего аппарата 2, а выходные отверстия 8 профилированных трубопроводов 5 примыкают к входному отверстию 9 конического диффузора 4, имеют примерно одинаковую площадь и максимально заполняют входное отверстие 9 конического диффузора 4. Пространство между рабочим колесом 1 и трубчатым (канальным) направляющим аппаратом 2 образует безлопаточный диффузор 10. Рабочее колесо 1 имеет лопатки 11. Насос снабжен шнеком 12.
Устройство работает следующим образом:
Жидкость подходит к рабочему колесу 1 вдоль оси его вращения, занимает пространство между лопатками 11 рабочего колеса 1, направляющий аппарат 2 и профилированные трубопроводы 5, так как входные отверстия 6 каждого из профилированных трубопроводов 5 соединены с соответствующими выходными отверстиями 7 направляющего аппарата 2. Таким образом, вначале шнекоцентробежный насос полностью заполняется жидкостью, затем начинается вращение рабочего колеса 1. Жидкость, находящаяся между лопатками 11 рабочего колеса 1, отбрасывается от его центра к краям. Данный процесс осуществляется под действием центробежной силы. Благодаря повышению давления жидкость переходит в конический диффузор 4.
В предлагаемом устройстве амплитуды колебаний давления на лопаточных частотах рабочего колеса 1, т.е. на частотах мерцания лопаток 11 рабочего колеса 1 и кратных им, обусловленные неравномерностью поля давления, различием скоростей жидкости между лопатками 11 рабочего колеса 1 и возникающие в момент выхода жидкости из межлопаточного канала, со скоростью звука в жидкости распространяются по профилированным трубопроводам 5 спирального сборника 3. Профилированные трубопроводы 5 спирального сборника 3 имеют различную длину и одинаковую форму, а их выходные отверстия 8 примыкают к входному отверстию 9 конического диффузора 4, имеют примерно одинаковую площадь и максимально заполняют входное отверстие 9 конического диффузора 4, поэтому на вход конического диффузора 4 потоки жидкости, проходящие через трубопроводы 5, приходят, имея одинаковые частоты.
Конструкция насоса исключает взаимодействие пульсирующих жидкостных потоков из выходных отверстий 7 направляющего аппарата 2 и в спиральном сборнике 3, т.е. непосредственно в насосе, так как выводит объединение потоков за пределы насоса в область более низких скоростей потоков, чем достигается уменьшение пульсаций давления и вибрации и их разброса как за счет лопаточных, так и за счет шумовых составляющих, а также обеспечивает радиально-осевую симметрию течения после рабочего колеса 1.
Наличие конического диффузора 4, в котором происходит слияние потоков, выходящих из трубопроводов 5, обеспечивает понижение скорости общего потока, что также способствует уменьшению пульсаций давления и вибраций.