КОМБИНИРОВАННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС
COMBINED CENTRIFUGAL GEAR PUMP

Изобретение относится к области машиностроения и касается насосов, применяемых в маслосистемах теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателей для подачи и откачки масла.
Известен комбинированный центробежно-шестеренный насос (патент RU 2287087), содержащий установленные в колодцах корпуса и находящие в зацеплении шестерни, у которых у ножек зубьев выполнены кольцевые проточки с расположенными в них разделителями полостей всасывания и нагнетания, а на торцах, обращенных на вход, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки. Данный тип насоса представляет собой комбинацию лопастного центробежного насоса с шестеренным и может устойчиво работать без ограничений по частоте вращения, так как предвключенные центробежные крыльчатки создают дополнительный напор на входе в межзубовые впадины шестерен, обеспечивая их надежное заполнение рабочей жидкостью.
К недостаткам известного комбинированного насоса следует отнести низкий полный коэффициент полезного действия (КПД), который боле чем в два раза ниже полного КПД отдельно взятых центробежных и шестеренных насосов (центробежный или шестеренный насос имеют полный КПД порядка 0,7).
Таким образом, большая часть мощности, потребляемая комбинированным насосом, расходуется непроизводительно и в конечном итоге приводит к дополнительному подогреву рабочей жидкости, протекающей через него.
Следует обратить внимание и на то, что в теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) располагаемый хладоресурс для непрерывного охлаждения масла весьма ограничен (в качестве хладагента используется рабочее топливо, которое само может нагреваться от других источников, вплоть до 180°С), и, учитывая количество насосов в маслосистеме (может быть более десятка), упомянутый недостаток может привести к перегреву масла и выходу двигателя из строя.
Этот недостаток объясняется трудностями в обеспечении сбалансированной совместной работы насосов разных типов и характеристик во всем диапазоне рабочих режимов комбинированного насоса, а также отсутствием в нем специальных устройств, позволяющих синхронизировать работу насосов между собой. При росте частоты вращения насоса возрастает напор, создаваемый центробежными крыльчатками, и в какой-то момент он превысит потребности шестеренной ступени комбинированного насоса. Дальнейший рост частоты вращения уже не влияет на степень заполнения межзубовых впадин жидкостью и приводит к увеличению давления на боковых стенках колодцев корпуса, которое может значительно превысить давление в полости нагнетания насоса. Особенно это характерно для откачивающих насосов системы смазки авиационных ГТД, у которых противодавление стараются снизить для повышения надежности откачки масла.
Увеличение давления на боковых стенках колодцев корпуса ведет к увеличению гидравлических потерь на трение, на удар и других потерь в межлопаточных каналах центробежных крыльчаток, оцениваемых гидравлическим КПД, что приводит к снижению полного КПД и к непроизводительным потерям мощности насоса.
Задача изобретения заключается в повышении эффективности работы комбинированного центробежно-шестеренного насоса за счет сокращения непроизводительных потерь мощности.
Указанная задача решается тем, что в комбинированном центробежно-шестеренном насосе, содержащем установленные в колодцах корпуса и находящиеся в зацеплении шестерни, у которых у ножек зубьев выполнены кольцевые проточки с установленными в них разделителями полостей всасывания и нагнетания, а на торцах, обращенных на вход, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки, согласно изобретению, на боковых стенках колодцев корпуса, в зонах свободных от разделителей, выполнены спиральные канавки с постепенно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток сечениями, заканчивающиеся отводящими каналами, сообщенными со входом перепускного клапана, выход из которого соединен с полостью нагнетания. Кроме того, выходные участки отводящих каналов выполнены в виде прямолинейных диффузоров; перепускной клапан снабжен устройством для регулировки давления открытия.
Выполнение на боковых стенках колодцев корпуса, в зонах свободных от разделителей, спиральных канавок, сообщающихся через перепускной клапан с полостью нагнетания, позволяет использовать избыточный напор центробежных крыльчаток в диапазоне высоких частот вращения комбинированного центробежно-шестеренного насоса для увеличения подачи рабочей жидкости, при этом сокращаются гидравлические потери на входе в шестеренную ступень, возрастает КПД, уменьшается нагрев масла и сокращаются непроизводительные потери мощности насоса. Таким образом, предвключенные центробежные крыльчатки помимо выполнения прежних своих функций - обеспечивать оптимальную степень наполнения межзубовых впадин рабочей жидкостью -  получили новое свойство, позволившее повысить эффективность работы комбинированного центробежно-шестеренного насоса.
Выполнение спиральных канавок с постоянно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток сечениями, а также выполнение выходных участков отводящих каналов в виде прямолинейных диффузоров позволяет более эффективно преобразовывать кинетическую энергию выходящего из центробежных крыльчаток потока рабочей жидкости в давление.
На фиг.1 показан продольный разрез насоса.
На фиг.2 - поперечный разрез А-А фиг.1.
На фиг.3 - разрез Б-Б фиг.2.
Комбинированный центробежно-шестеренный насос содержит корпус 1, в колодцах (расточках) которого размещены находящиеся в зацеплении шестерни 2, у ножек которых выполнены кольцевые проточки 3. В кольцевых проточках 3 расположены разделители 4 полостей всасывания 5 и нагнетания 6, закрепленные неподвижно относительно корпуса 1. На торцах шестерен 2, обращенных на вход насоса, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки 7 так, что их выходные сечения направлены точно внутрь кольцевых проточек 3. В боковых стенках колодцев корпуса 1, в зонах свободных от разделителей 4, выполнены спиральные канавки 8 с постепенно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток 7 сечениями, заканчивающиеся отводящими каналами 9, выходные участки которых выполнены в виде прямолинейных диффузоров 10, выведенные в полость 11, перед входом в перепускной клапан 12, поджатый пружиной 13 к седлу 14. Для настройки давления открытия клапана 12 служит регулировочный упор 15, при вращении которого происходит осевое перемещение гайки 16 и изменение затяжки пружины 13.
Перед началом работы насоса входные патрубки в корпусе 1 должны быть заполнены рабочей жидкостью (маслом), которая попадает в полость всасывания 5. Затем приводится во вращение через приводной вал одна из шестерен 2 (на чертеже нижняя шестерня), находящаяся с ней в зацеплении приходит во вращение и другая шестерня. Вместе с шестернями 2 начинают вращаться закрепленные на них предвключенные центробежные крыльчатки 7. В результате воздействия на жидкость лопастей крыльчаток 7 она выходит из межлопаточных каналов с более высоким давлением и скоростью, чем на входе, и сразу попадает в кольцевые проточки 3 у ножек зубьев шестерен 2, что обеспечивает высокую степень заполнения межзубовых впадин жидкостью и вместе с тем устойчивую работу шестеренной ступени (без пульсации давления, эмульсирования жидкости, гидравлических ударов и т.п.).
При переходе насоса на повышенные режимы работы увеличивается частота вращения крыльчаток 7, а вместе с ней растет скорость и давление потока жидкости, выходящего из них. Кинетическая энергия выходящего из крыльчаток 7 потока жидкости частично преобразуется в спиральных канавках 8 в энергию давления. Поток жидкости с увеличившимся давлением из спиральных канавок 8 попадает в отводящие каналы 9, где по прохождении через прямолинейные диффузоры 10 окончательно происходит преобразование динамического напора в статический, а давление возрастает до величины, превышающей давление жидкости в полости нагнетания 6. При этом сила от давления, действующая на клапан 12 со стороны полости 11, превысит силу, действующую на перепускной клапан со стороны полости нагнетания, и клапан отойдет от седла 14, сжав пружину 13.
Часть жидкости из спиральных канавок 8 через отводящие каналы 9 будет перетекать в полость нагнетания 6, минуя шестеренную ступень комбинированного насоса.
Подача насоса возрастет, а гидравлические потери на трение, на удар и другие потери в межлопаточных каналах крыльчаток 7 сократятся. Для изменения настройки давления открытия клапана 12 вращают регулировочный упор 15, при этом происходит осевое перемещение гайки 16 и изменение затяжки пружины 13.
Предложенное изобретение позволяет сбалансировать совместную работу центробежных и шестеренных ступеней комбинированного центробежно-шестеренного насоса при работе на повышенных частотах вращения.