Многоступенчатый вихревой насос

 

Изобретение относится к многоступенчатым вихревым насосам, используемым преимущественно в качестве пусковых насосов топливных систем летательных аппаратов. Насос содержит корпус с рабочей камерой, в которой на приводном валу установлено вихревое колесо. Колесо выполнено в виде диска с двумя рядами лопаток, размещенных на боковых поверхностях диска по окружностям, имеющим различный радиус, и с лопатками, размещенными на периферийной поверхности диска. Насос содержит два неподвижных кольцевых диска, установленных с зазором по обе стороны колеса. Диски имеют на боковых поверхностях, обращенных к колесу, углубления, размещенные напротив соответствующих рядов лопаток колеса. Углубления соединены с каналами для подвода и отвода перекачиваемой жидкости. Лопатки колеса установлены в кольцевых углублениях и вместе с соответствующими углублениями неподвижных дисков образуют две ступени вихревого насоса. Ступень, расположенная ближе к приводному валу, соединена входом с каналом подвода перекачиваемой жидкости, а выходом - с входом второй ступени, более удаленной от приводного вала. Выход второй ступени соединен посредством каналов с кольцевым зазором, расположенным между периферийной поверхностью вихревого колеса, снабженной лопатками, и корпусом насоса, и образующим третью ступень насоса, последняя соединена с каналом для отвода перекачиваемой жидкости. Изобретение направлено на повышение напора при уменьшении радиальных и осевых нагрузок на колесо. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к многоступенчатым вихревым насосам, предназначенным преимущественно для использования в качестве пусковых насосов топливных систем летательных аппаратов.

Известен вихревой насос, содержащий корпус, рабочую камеру, выполненную в корпусе, вихревое колесо, установленное на приводном валу в рабочей камере и выполненное в виде диска с лопатками, размещенными на боковой поверхности диска в кольцевых углублениях, два неподвижных кольцевых диска, установленных с зазором по обе стороны вихревого колеса и имеющих на боковых поверхностях, обращенных к вихревому колесу, углубления, размещенные напротив лопаток вихревого колеса и соединенные с каналами для подвода и отвода перекачиваемой жидкости (см., например, патент США 4408952 от 11.10.1983 г.).

Вихревой насос такого типа создает недостаточно высокий уровень напора перекачиваемой жидкости.

Известен также вихревой насос, содержащий вихревое колесо, у которого лопатки размещены на периферийной его части (см. патент США 5765992, МПК F 04 D 29/42, НКИ 415/55.1, 1998). Однако и этот насос не обеспечивает такой величины напора перекачиваемой жидкости, который необходим при использовании его в качестве пускового насоса в топливной системе летательного аппарата.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому насосу является многоступенчатый вихревой насос, содержащий корпус, рабочую камеру, выполненную в корпусе, вихревое колесо, установленное на приводном валу в рабочей камере и выполненное в виде диска с двумя рядами лопаток, размещенных на боковых поверхностях диска по окружностям, имеющим различный радиус, и лопатками, размещенными на периферийной поверхности диска, два неподвижных кольцевых диска, установленных с зазором по обе стороны вихревого колеса и имеющих на боковых поверхностях, обращенных к вихревому колесу, углубления, размещенные напротив соответствующих рядов лопаток вихревого колеса и соединенные с каналами для подвода и отвода перекачиваемой жидкости (см. патент США 5413457, МПК F 01 D 1/12, 1995).

Известный многоступенчатый вихревой насос способен создавать достаточно высокий уровень напора перекачиваемой жидкости. Однако с увеличением напора, создаваемого насосом, возрастают радиальные и осевые нагрузки, действующие на вихревое колесо. Эти нагрузки передаются на подшипники, в которых установлен приводной вал, что снижает ресурс работы насоса и приводит к дополнительному подогреву перекачиваемой жидкости.

Задача изобретения состояла в разработке такого вихревого насоса, в котором обеспечивается высокий уровень напора перекачиваемой жидкости при уменьшении радиальных и осевых нагрузок на вихревое колесо насоса.

Указанная задача решается тем, что предложен многоступенчатый вихревой насос, содержащий корпус, рабочую камеру, выполненную в корпусе, вихревое колесо, установленное на приводном валу в рабочей камере и выполненное в виде диска с двумя рядами лопаток, размещенных на боковых поверхностях диска по окружностям, имеющим различный радиус, и лопатками, размещенными на периферийной поверхности диска, два неподвижных кольцевых диска, установленных с зазором по обе стороны вихревого колеса и имеющих на боковых поверхностях, обращенных к вихревому колесу, углубления, размещенные напротив соответствующих рядов лопаток вихревого колеса и соединенные с каналами для подвода и отвода перекачиваемой жидкости, в котором согласно изобретению лопатки, размещенные на боковых поверхностях вихревого колеса, установлены в кольцевых углублениях и вместе с соответствующими углублениями на боковых поверхностях неподвижных дисков образуют две ступени вихревого насоса, первая из которых, расположенная на ближайшей к приводному валу окружности, соединена своим входом с каналом для подвода перекачиваемой жидкости, а своим выходом соединена со входом второй ступени, расположенной на более удаленной от приводного вала окружности, причем выход второй ступени соединен посредством каналов для перевода жидкости с кольцевым зазором, расположенным между периферийной поверхностью вихревого колеса, снабженной лопатками, и корпусом насоса, и образующим третью ступень насоса, соединенную с каналом для отвода перекачиваемой жидкости.

Другим отличием предлагаемого насоса является то, что каналы для перевода жидкости со второй ступени насоса на третью ступень, выполненные в отдельных неподвижных дисках, соединены с третьей ступенью насоса в местах, расположенных диаметрально противоположно друг к другу по отношению к оси вихревого колеса, а периферийная третья ступень насоса имеет два канала для отвода нагнетаемой жидкости в общую сборную кольцевую камеру, которые размещены в местах, диаметрально противоположных друг к другу по отношению к оси вихревого колеса. Это обеспечивает уменьшение радиальных нагрузок на вихревое колесо. Еще одним отличием предлагаемого насоса является то, что вихревое колесо жестко закреплено на приводном валу, который установлен на радиальных подшипниках и связан с приводом посредством переходного элемента, допускающего его осевое смещение под воздействием осевых нагрузок, действующих на вихревое колесо при его вращении. Это обеспечивает режим работы насоса, когда вихревое колесо само выбирает такое свое положение относительно неподвижных дисков, при котором осевые нагрузки, действующие на вихревое колесо с двух его сторон, компенсируют друг друга. При этом оптимальная величина зазора между боковыми поверхностями вихревого колеса и соответствующими неподвижными дисками выбрана в интервале 0,1÷0,18 мм.

В предпочтительном варианте выполнения насоса лопатки вихревого колеса, размещенные на его боковых поверхностях, имеют серповидную форму с углом наклона в направлении вращения колеса. При этом оптимальная величина угла наклона лопаток по отношению к поверхности вихревого колеса составляет 40÷50^o.

Другим отличием насоса является то, что на периферийной поверхности вихревого колеса установлен один ряд лопаток, кромки которых расположены параллельно оси колеса.

В предпочтительном варианте выполнения насоса лопатки, установленные на периферийной поверхности вихревого колеса в поперечном сечении имеют серповидную форму с углом наклона в направлении вращения колеса.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен вид насоса в продольном осевом сечении.

На фиг. 2 представлен фрагмент насоса в месте расположения боковых поверхностей вихревого колеса и одного из неподвижных дисков.

На фиг. 3 представлен вид на вихревое колесо со стороны его боковой поверхности.

На фиг.4 изображен вид на вихревое колесо в поперечном разрезе фиг.3.

На фиг.5 представлен вид вихревого колеса в разрезе по А-А фиг.4.

На фиг.6 изображен вид вихревого колеса в разрезе по В-В фиг.4.

На фиг. 7 представлен вид на правый (фиг.1) неподвижный диск насоса со стороны его боковой поверхности, обращенной к вихревому колесу.

На фиг. 8 изображен вид на правый неподвижный диск в поперечном разрезе фиг.7.

На фиг. 9 представлен вид на левый (фиг.1) неподвижный диск насоса со стороны его боковой поверхности, обращенной к вихревому колесу.

На фиг. 10 изображен вид на левый неподвижный диск в поперечном разрезе фиг.9.

На фиг.11 изображен вид на насос в поперечном разрезе по А-А фиг.1.

На фиг. 12 изображен вид на участок лопаток со стороны боковой поверхности вихревого колеса.

На фиг.13 изображена схематично связь вихревого колеса с приводным валом и связь приводного вала с приводом.

На фиг.14 представлены кривые зависимости осевых усилий, действующих на вихревое колесо, от величины зазора между вихревым колесом и неподвижными дисками.

Вихревой насос (см. фиг.1) содержит корпус 1 с внутренней рабочей камерой 2, в которой установлено вихревое колесо 3, закрепленное на приводном валу 4. Вихревое колесо 3 выполнено в виде диска (фиг.3 и 4), снабженного двумя рядами лопаток 5, размещенных на боковых поверхностях колеса по окружностям, имеющим различный радиус. Лопатки 5 установлены в кольцевых углублениях 6. На периферийной поверхности вихревого колеса 3 установлен еще один ряд лопаток 7, имеющих серповидную форму с углом наклона в направлении вращения вихревого колеса 3. При этом кромки лопаток 7 расположены параллельно оси колеса 3 (см. фиг.4). Лопатки 5 также имеют серповидную форму (см. фиг. 12) и их угол наклона по отношению к поверхности вихревого колеса выбран в интервале 40-50^o (см. фиг.5 и 6).

Вихревое колесо 3 установлено на посадочной втулке 8 (см. фиг.1), жестко соединенной с приводным валом 4 и имеющей кольцевой выступ 9, к которому своей центральной частью прижато с помощью накидной гайки 10 вихревое колесо 3.

В камере 2 по обе стороны от вихревого колеса 3 установлены неподвижные диски 11 и 12 (см. фиг.7, 8, 9 и 10), служащие для подвода и отвода перекачиваемой жидкости к вихревому колесу 3. Диски 11 и 12 жестко соединены с корпусом 1 насоса и их боковые поверхности, обращенные к вихревому колесу 3, образуют зазоры (см. фиг.2) с соответствующими боковыми поверхностями рабочего колеса. На боковых поверхностях неподвижных дисков 11 и 12 выполнены углубления 13 (см. фиг.7, 8), размещенные напротив двух рядов лопаток 5 на боковых поверхностях вихревого колеса 3. Лопатки 5 на боковых поверхностях вихревого колеса, установленные в углублениях 6 (см. фиг.11) совместно с соответствующими углублениями 13 на боковых поверхностях неподвижных дисков 11 и 12 (см. фиг. 1, 8, 9) образуют две ступени 14 и 15 (см. фиг. 1) вихревого насоса. Первая ступень 14 насоса, расположенная на ближайшей к приводному валу 4 окружности, соединена своим входом 16 (см. фиг.1 и 9) с каналом 17 для подвода перекачиваемой жидкости. Выход первой ступени 14 соединен со входом второй ступени 15 (показано стрелками на фиг.1). Выход второй ступени 15 через каналы в неподвижных дисках 11 и 12 соединен с кольцевыми полостями 18 и 19 рабочей камеры 2. Из кольцевых полостей 18 и 19 жидкость под давлением Р_вых2 (см. фиг.1) через соответствующие каналы в неподвижных дисках 11 и 12 переводится в кольцевой зазор 20 между периферийной поверхностью вихревого колеса 3, снабженной лопатками 7, и расположенного напротив кольцевых выступов 21 неподвижного диска 11 (см. фиг.1). Зазор 20 образует третью ступень вихревого насоса, которая соединена со сборной кольцевой камерой 22 (условно показана на фиг.1 стрелками), связанной с нагнетающим патрубком насоса (не показан).

Первая и вторая ступени 14 и 15 вихревого насоса состоят из кольцевых камер, расположенных на обоих боковых поверхностях вихревого колеса 3. Для снижения радиальных нагрузок на вихревое колесо каналы для перевода жидкости из кольцевой полости 18 на вход 23 третьей ступени 20 насоса (см. фиг.11) соединены в месте, расположенном диаметрально противоположно месту соединения входа 24 третьей ступени 20 насоса с кольцевой полостью 19 рабочей камеры 2, соединенной с той частью второй ступени 15 насоса, которая расположена на боковой поверхности вихревого колеса 3, обращенной к неподвижному диску 11. Таким образом, третья ступень 20 насоса, образованная кольцевым зазором между периферийной поверхностью вихревого колеса и кольцевым выступом 21 неподвижного диска 11, имеет два входа 23 и 24 для подачи жидкости от второй ступени 15 насоса, расположенных диаметрально противоположно друг другу по отношению к оси вихревого колеса (см. фиг.11). Третья ступень 20 имеет также два выхода 25 и 26 для перевода жидкости в сборную кольцевую камеру 22 насоса, расположенных диаметрально противоположно друг другу по отношению к оси вихревого колеса 3. Это обеспечивает компенсацию гидравлических нагрузок на вихревое колесо 3, связанных с подводом и выводом жидкости из насоса.

Для компенсации осевых усилий, действующих на вихревое колесо 3 в процессе его вращения, колесо 3 жестко закреплено на приводном валу 4, который установлен на радиальных подшипниках 27 и 28 (см. фиг.1) и соединен с приводом 29 (см. фиг.13) с помощью переходного элемента 30 (кулиса), допускающего его осевое смещение. При этом зазор δ) между боковыми поверхностями вихревого колеса 3 и соответствующими боковыми поверхностями неподвижных дисков 11 и 12 (см. фиг.1 и 2) выбраны в интервале 0,1÷0,18 мм.

Насос работает следующим образом.

Перекачиваемая жидкость по входному трубопроводу (на фиг.1 условно изображен стрелкой) подается под давлением Р_вх1 к входным каналам 17 неподвижных дисков 11 и 12 (см. фиг.1, 8, 9) и через них поступает в обе части первой ступени 14, расположенные на боковых поверхностях вихревого колеса 3. Здесь жидкость захватывается лопатками вращающегося вихревого колеса и переносится по соответствующим углублениям 13 на боковых поверхностях неподвижных дисков 11 и 12. При переносе жидкости от входа 16 первой ступени насоса к ее выходу давление жидкости возрастает от P_вх1 до Р_вых1. С выхода первой ступени жидкость при давлении P_вых1 (см. фиг.1) переносится на вход второй ступени 15 (на фиг.1 условно показано стрелками), где она захватывается вторым рядом лопаток 5 и переносится ими по углублениям на боковой поверхности неподвижных дисков 11 и 12, расположенным на окружности большого радиуса. При этом переносе давление жидкости возрастает от P_вх2 до Р_вых2. С выхода второй ступени 15 насоса жидкость по соответствующим каналам в неподвижных дисках 11 и 12 переводится в кольцевые полости 18 и 19 рабочей камеры 2 (на фиг. 1 условно показано стрелками). Из кольцевых полостей 18 и 19 жидкость под давлением Р_вых2 поступает через соответствующие каналы в неподвижных дисках 11 и 12 на входы 23 и 24 третьей ступени 20 (см. фиг.11). Здесь она захватывается лопатками 7, установленными на периферийной поверхности вихревого колеса 3, и переносится к соответствующим выходам 25 и 26 третьей ступени 20 насоса. С выходов 25 и 26 третьей ступени 20 насоса жидкость переводится в общую кольцевую сборную камеру 22 насоса и из нее поступает в нагнетательный патрубок насоса (на фиг.1 условно показан стрелкой). По мере перемещения жидкости от входа к выходу насоса она последовательно проходит три ступени 14, 15 и 20 насоса с повышением ее давления на каждой ступени. Испытания макета данного насоса показали, что при числе оборотов вихревого колеса 2000 об/мин давление жидкости (топлива) на выходе насоса составляет более 21 кг/см².

При вращении вихревого колеса 3 на боковые поверхности колеса оказывают воздействие осевые нагрузки, величины которых зависят от скорости вращения, расхода жидкости и величины зазора между боковыми поверхностями вихревого колеса 3 и соответствующими поверхностями неподвижных дисков 11 и 12. На фиг.14 изображены кривые зависимости осевых сил, действующих на левую боковую поверхность вихревого колеса 3 (кривая 1), и на правую боковую поверхность вихревого колеса 3 (кривая 2). Как видно из представленных зависимостей при смещении вихревого колеса 3 влево резко возрастает осевая нагрузка, действующая со стороны левого неподвижного диска 12, а при смещении вихревого колеса 3 вправо резко возрастает осевая нагрузка, действующая на колесо со стороны правого неподвижного диска 11. Поскольку колесо 3 жестко соединено с приводным валом 4, который установлен с возможностью смещения в осевом направлении, то оно в процессе вращения само выбирает такое положение между неподвижными дисками 11 и 12, при котором осевые гидравлические нагрузки на него сводятся к минимуму. Как видно из кривых на фиг.14 это обеспечивается при величине зазора между поверхностями вихревого колеса 3 и соответствующими поверхностями неподвижных дисков 11 и 12, равном ~ 0,1 мм.

Формула изобретения

1. Многоступенчатый вихревой насос, содержащий корпус, рабочую камеру, выполненную в корпусе, вихревое колесо, установленное на приводном валу в рабочей камере и выполненное в виде диска с двумя рядами лопаток, размещенных на боковых поверхностях диска по окружностям, имеющим различный радиус, и лопатками, размещенными на периферийной поверхности диска, два неподвижных кольцевых диска, установленных с зазором по обе стороны вихревого колеса и имеющих на боковых поверхностях, обращенных к вихревому колесу, углубления, размещенные напротив соответствующих рядов лопаток вихревого колеса и соединенные с каналами для подвода и отвода перекачиваемой жидкости, отличающийся тем, что лопатки, размещенные на боковых поверхностях вихревого колеса, установлены в кольцевых углублениях и вместе с соответствующими углублениями на боковых поверхностях неподвижных дисков образуют две ступени вихревого насоса, первая из которых, расположенная на ближайшей к приводному валу окружности, соединена своим входом с каналом для подвода перекачиваемой жидкости, а своим выходом соединена с входом второй ступени, расположенной на более удаленной от приводного вала окружности, причем выход второй ступени соединен посредством каналов для перевода жидкости с кольцевым зазором, расположенным между периферийной поверхностью вихревого колеса, снабженной лопатками, и корпусом насоса, и образующим третью ступень насоса, соединенную с каналом для отвода перекачиваемой жидкости.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что каналы для перевода жидкости со второй ступени насоса на периферийную третью ступень, выполненные в отдельных неподвижных дисках, соединены с третьей ступенью насоса в местах, расположенных диаметрально противоположно друг к другу по отношению к оси вихревого колеса, а периферийная третья ступень насоса имеет два канала для отвода нагнетаемой жидкости в общую сборную кольцевую камеру, которые размещены в местах, диаметрально противоположных друг другу по отношению к оси вихревого колеса.

3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что вихревое колесо жестко закреплено на приводном валу, который установлен на радиальных подшипниках и связан с приводом посредством переходного элемента, допускающего его осевое смещение под воздействием осевых нагрузок, действующих на вихревое колесо при его вращении.

4. Насос по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что зазоры между боковыми поверхностями вихревого колеса и соответствующими неподвижными дисками выбраны в интервале 0,1-0,18 мм.

5. Насос по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что лопатки вихревого колеса, размещенные на его боковых поверхностях, имеют серповидную форму с углом наклона в направлении вращения колеса.

6. Насос по п.5, отличающийся тем, что угол наклона лопаток по отношению к поверхности вихревого колеса выбран в интервале 40-50^o.

7. Насос по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что на периферийной поверхности вихревого колеса установлен один ряд лопаток, кромки которых расположены параллельно оси колеса.

8. Насос по п.7, отличающийся тем, что лопатки в поперечном сечении имеют серповидную форму с углом наклона в направлении вращения колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13