Насосный агрегат

Изобретение относится к насосным агрегатам (НА) для перекачки жидкостей с включениями газа и/или пара, преимущественно топлива в силовых установках летательных аппаратов. НА содержит центробежный насос и эжекторный насос (ЭН), установленный соосно перед центробежным насосом. ЭН включает насадку с множеством сопел (С). Канал для подвода жидкости высокого давления к соплам ЭН соединен непосредственно с каналом для отвода жидкости высокого давления к потребителю, при этом насадка с С выполнена в виде цилиндрической втулки, в которой С размещены по окружности на максимальном удалении от оси насадки. Рабочее колесо центробежного насоса имеет форму шнека с постоянно увеличивающимся диаметром наружной поверхности лопастей от входа к выходу по ходу движения перекачиваемой жидкости. Изобретение направлено на увеличение перепада давления на соплах ЭН при минимальном давлении жидкости на входе в НА и повышении эффективности работы НА при сокращении его габаритов. 9 з. п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к насосным агрегатам для перекачки жидкостей, содержащих включения газа и/или пара. Преимущественно изобретение относится к насосным агрегатам для перекачки топлива в силовых установках летательных аппаратов, например самолетов.

Известен насосный агрегат для перекачки жидкостей, содержащих включения газа и/или пара, содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединенном с приводом, эжекторный насос, установленный соосно перед центробежным насосом по ходу движения перекачиваемой жидкости и включающий сопло, установленное в канале для подвода перекачиваемой жидкости в насосный агрегат, и последовательно размещенные по ходу движения жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к лопастям рабочего колеса центробежного насоса, канал для отвода жидкости к потребителю, соединенный с отводящим устройством центробежного насоса, и канал для подвода жидкости высокого давления к соплу эжекторного насоса, соединенный с отводящим устройством центробежного насоса (см. патент ЕПВ 0294064 А1, МПК F 04 D 9/06, 1988).

В известном насосном агрегате перед входом в основной эжекторный насос имеется специальный резервуар, служащий для предварительного отделения газов и паров, содержащихся в перекачиваемой жидкости, и несколько дополнительных эжекторов для подвода отделенных газов и паров в среднюю часть камеры смешения, где газы и пары вновь смешиваются с потоком жидкости, подаваемой к лопастям рабочего колеса центробежного насоса. Это существенно усложняет конструкцию насосного агрегата и, соответственно, технологию его изготовления.

Кроме того, в известном насосном агрегате не оптимизированы условия работы основного эжекторного насоса, поскольку канал для подвода жидкости высокого давления к соплу основного эжекторного насоса соединен непосредственно со сборником отводящего устройства центробежного насоса. Как известно, в сборнике отводящего устройства центробежного насоса линейная скорость жидкости, сходящей с лопастей рабочего колеса, очень высока (она достигает 30-60 м/с). По этой причине давление жидкости в сборнике отводящего устройства, из которого осуществляется отвод жидкости к соплу основного эжекторного насоса, относительно невелико. Это снижает эффективность работы основного эжекторного насоса.

Наиболее близким к предлагаемому насосному агрегату по совокупности признаков является насосный агрегат для перекачки жидкостей, содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединенном с приводом, эжекторный насос, установленный соосно перед центробежным насосом по ходу движения перекачиваемой жидкости и включающий насадку с множеством сопел, установленную в канале для подвода перекачиваемой жидкости в насосный агрегат, и последовательно размещенные по ходу движения жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к лопастям рабочего колеса центробежного насоса, канал для отвода жидкости к потребителю, соединенный со сборником отводящего устройства центробежного насоса, и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса (см. патент РФ №2027911, МПК F 04 D 9/06, 1996).

В известном насосном агрегате, принятом за прототип, центробежный насос выполнен с предвключенной ступенью и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса соединен с камерой высокого давления предвключенной ступени. Давление жидкости в камере высокого давления предвключенной ступени центробежного насоса существенно ниже давления жидкости в канале для отвода жидкости к потребителю. Как следствие, в данном насосном агрегате эжекторный насос работает при малом перепаде давления на соплах, не обеспечивая необходимой эффективности работы насосного агрегата. Кроме того, наличие предвключенной ступени существенно усложняет конструкцию насосного агрегата и увеличивает его габариты.

Задача изобретения состояла в увеличении перепада давления на соплах эжекторного насоса при минимальном давлении жидкости на входе и повышении эффективности работы насосного агрегата при сокращении его габаритов.

Указанная задача решается тем, что предложен насосный агрегат, содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединенном с приводом, эжекторный насос, установленный соосно перед центробежным насосом по ходу движения перекачиваемой жидкости и включающий насадку с множеством сопел, установленную в канале для подвода перекачиваемой жидкости в насосный агрегат, и последовательно размещенные по ходу движения жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к рабочему каналу центробежного насоса, канал для отвода жидкости высокого давления к потребителю, соединенный со сборником отводящего устройства центробежного насоса, и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса, в котором согласно изобретению канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса соединен непосредственно с каналом для отвода жидкости высокого давления к потребителю.

Установлено, что давление жидкости в канале для подвода жидкости к потребителю примерно на 30% превышает давление жидкости в сборнике отводящего устройства центробежного насоса. Это обеспечивает повышение перепада давления на соплах эжекторного насоса и, как следствие, повышение эффективности работы насосного агрегата в целом. Кроме того, в предлагаемом насосном агрегате обеспечивается уменьшение его габаритов в сравнении с прототипом за счет исключения предвключенной ступени центробежного насоса.

Другим отличием предлагаемого насосного агрегата является то, что насадка выполнена в виде цилиндрической втулки, в которой сопла размещены по окружности на максимальном удалении от оси насадки. При этом оси сопел расположены под углом 15-19° к оси эжекторного насоса. Это дополнительно оптимизирует условия работы эжекторного насоса.

Еще одним отличием насосного агрегата является то, что площадь поперечного сечения камеры смешения составляет 40-60% площади поперечного сечения входного участка эжекторного насоса.

В предпочтительном варианте выполнения насосного агрегата выходное сечение сопел насадки расположено в сечении начала входного участка конфузора по ходу движения жидкости.

Другим отличием является то, что центральный угол диффузора эжекторного насоса выбран в интервале 35-45°.

Еще одним отличием предлагаемого насосного агрегата является то, что входной участок лопастей рабочего колеса размещен в выходном сечении диффузора эжекторного насоса. При этом конец начального участка рабочего колеса центробежного насоса расположен в среднем сечении по длине диффузора эжекторного насоса.

Другим отличием насосного агрегата является то, что наружная поверхность лопастей рабочего колеса центробежного насоса по ходу движения жидкости имеет криволинейную форму с увеличением кривизны от входа к выходу.

В числе отличий насосного агрегата следует отметить то, что рабочее колесо с лопастями имеет форму шнека с постоянно увеличивающимся диаметром наружной поверхности лопастей от входа к выходу по ходу движения перекачиваемой жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен предлагаемый насосный агрегат в продольном разрезе.

На фиг.2 схематично изображено соединение канала для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса с каналом для отвода жидкости высокого давления к потребителю.

На фиг.3 представлен вид на насадку с соплами со стороны конфузора.

На фиг.4 изображен общий вид рабочего колеса центробежного насоса.

На фиг.5 изображена экспериментально полученная универсальная напорная характеристика насосного агрегата.

На фиг.6 представлена экспериментально полученная напорная характеристика насосного агрегата при постоянной частоте вращения рабочего колеса.

На фиг.7 изображена экспериментально полученная зависимость напора жидкости насосного агрегата от входного давления (кавитационная характеристика).

На фиг.8 изображена экспериментальная зависимость относительного расхода жидкости насосного агрегата от входного давления (кавитационная характеристика).

На фиг.9 изображена экспериментальная зависимость объемного содержания газа в потоке жидкости на входе насосного агрегата от входного давления.

Насосный агрегат содержит (фиг.1) центробежный насос 1, выполненный в виде осецентробежного насоса, который включает рабочее колесо 2 с лопастями 3, установленное на валу 4, соединенном через рессору 5 с приводом (на фиг. не показан).

Напротив выходного радиального участка 6 лопастей 3 рабочего колеса 2 размещен сборник 7 отводящего устройства, выполненный в виде кольцевого канала (фиг.2), расширяющегося от входа 8 к выходу 9 и плавно переходящего в канал 10 для отвода жидкости высокого давления к потребителю.

Перед центробежным насосом 1 по ходу движения перекачиваемой жидкости (на фиг.1 показано стрелками) соосно с ним установлен эжекторный насос 11, который включает насадку 12 с множеством сопел 13 (фиг.3), установленную в канале 14 для подвода перекачиваемой жидкости. Внутренний объем эжекторного насоса 11 можно разделить на три участка: конфузор 15, представляющий собой плавно сужающийся начальный участок внутреннего объема насоса 11, камеру 16 смешения, представляющую собой средний цилиндрический участок внутреннего объема насоса 11, и диффузор 17, представляющий собой плавно расширяющийся конечный участок внутреннего объема насоса 11, который служит каналом для подвода перекачиваемой жидкости к лопастям 6 рабочего колеса 2 центробежного насоса 1. Входные отверстия 18 сопел 13 насадки 12 соединены с кольцевой полостью 19, окружающей насадку 12, которая посредством канала 20, служащего для подвода жидкости высокого давления к соплам 13 эжекторного насоса 11, соединена непосредственно с каналом 10 для отвода жидкости высокого давления к потребителю.

Сопла 13 размещены в насадке 12 по окружности (см. фиг.3) на максимальном удалении от оси насадки 12. При этом оси сопел 13 (см. фиг.1) расположены под углом 15-19° к оси эжекторного насоса 11. Площадь поперечного сечения камеры 16 смешения составляет 40-60% площади поперечного сечения входного участка эжекторного насоса 11, в котором установлена насадка 12 с соплами 13. При этом выходное сечение сопел 13 (см. фиг.1) расположено в сечении начала входного участка конфузора 15 эжекторного насоса по ходу движения перекачиваемой жидкости. Центральный угол α (фиг.1) диффузора 17 эжекторного насоса выбран в интервале 35-45°. При этом входной участок лопастей 3 рабочего колеса 2 центробежного насоса размещен в выходном сечении диффузора 17 эжекторного насоса. Конец 21 начального участка рабочего колеса 2 центробежного насоса 1 расположен в среднем сечении по длине диффузора 17 эжекторного насоса 11.

Наружная поверхность лопастей 3 рабочего колеса 2 центробежного насоса 1 (см. фиг.1 и 4) по ходу движения перекачиваемой жидкости имеет криволинейную форму с увеличением кривизны от входа к выходу (фиг.1). При этом рабочее колесо 2 с лопастями 3 имеет форму шнека (фиг.4) с постоянно увеличивающимся диаметром наружной поверхности лопастей 3 от входа к выходу по ходу движения перекачиваемой жидкости (показано на фиг.1 стрелками).

Насосный агрегат работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 2 с лопастями 3 центробежного насоса во внутреннем объеме эжекторного насоса 11 создается разрежение, под действием которого перекачиваемая жидкость по каналу 14 поступает во внутренний объем эжекторного насоса 11 и через диффузор 17 к лопастям 3 рабочего колеса центробежного насоса 1. Сходящая с радиального участка 6 лопастей 3 жидкость отбрасывается в кольцевой канал сборника 7 собирающего устройства, откуда она через расширенный участок 9 канала 7 поступает в канал 10 для отвода жидкости высокого давления к потребителю. Часть отбираемой жидкости высокого давления по каналу 20 подводится к кольцевой полости 19, окружающей насадку 12, и из нее в сопла 13. Формируемые соплами 13 струи жидкости высокого давления смешиваются с потоком перекачиваемой жидкости, содержащей включения газа и/или пара, в камере 16 смешения, и по диффузору 17 эта смесь поступает на лопасти 3 рабочего колеса 2 центробежного насоса 1.

Благодаря тому, что отбор части потока жидкости высокого давления, подводимой к соплам 13 эжекторного насоса 11, осуществляется непосредственно из канала 10 для отвода жидкости высокого давления к потребителю, где давление жидкости почти на 30% превышает давление жидкости в сборнике 7 собирающего устройства (откуда осуществляется отбор жидкости высокого давления в известных насосных агрегатах данного типа), а также выбранной геометрии внутреннего объема эжекторного насоса 11 и конструктивному выполнению рабочего колеса 2 с лопастями 3 центробежного насоса 1 удается существенно повысить эффективность работы насосного агрегата. Это выражается, в частности, в том, что насосный агрегат устойчиво работает даже при пониженных давлениях перекачиваемой жидкости во входном канале 14 насосного агрегата и при повышении содержания газопаровой фазы в перекачиваемой жидкости до 360% по объему. Это, в частности, обеспечивает работоспособность насосного агрегата в самых жестких условиях эксплуатации его в силовых установках летательных аппаратов.

На фиг.5, 6, 7, 8 и 9 представлены в графической форме некоторые результаты испытаний разработанного агрегата с использованием изобретения. В частности, на фиг.5 представлена экспериментально полученная кривая универсальной напорной характеристики насосного агрегата. Здесь H_n - напор насосного агрегата, который определяется по формуле , где ΔР_н - перепад давления жидкости на входе и выходе агрегата, а ρ - плотность жидкости; Q - расход перекачиваемой жидкости через агрегат, a n - число оборотов рабочего колеса центробежного насоса. Различные точки экспериментальной кривой получены при различных числах оборотов рабочего колеса - от 7000 об/мин до 11000 об/мин и давлении перекачиваемой жидкости на входе в насосный агрегат, равном Р_вх=1,25 кг/см².

Как видно из представленных на фиг.5 экспериментально полученных данных, универсальная характеристика насосного агрегата, включающего центробежный и эжекторный насосы, подчиняется закономерности универсальной характеристики классических центробежных насосов.

На фиг.6 представлены в графической форме экспериментально полученные данные зависимости перепада давления (ΔР_н) на входе и выходе насосного агрегата от расхода (Q) перекачиваемой жидкости при скорости вращения рабочего колеса центробежного насоса, равной 10500 об/мин.

Как видно из представленных данных, напор жидкости, обеспечиваемый насосным агрегатом, уменьшается с увеличением расхода во всем исследованном диапазоне расходов.

На фиг.7 представлены экспериментально полученные данные по кавитационной характеристике насосного агрегата. Здесь ΔР_н - относительный перепад давления в зависимости от входного давления Р_вх с поправкой на значение давления насыщенных паров (Р_п).

Как видно из представленных данных, насосный агрегат устойчиво работает даже при абсолютном значении давления жидкости на входе, равном 0,06 кг/см². Особенностью полученной характеристики является то, что с уменьшением входного давления перепад давления возрастает более чем на 10%.

На фиг.8 представлены данные по зависимости относительного расхода перекачиваемой жидкости от входного давления Р_вх с поправкой на значение давления насыщенных паров (Р_п).

Как видно из представленных данных, расход насосного агрегата с уменьшением входного давления медленно падает и при давлении (Р_вх-Р_п)=0,06 кг/см² падает на 5% от максимального расхода.

На фиг.9 представлены экспериментально-расчетные данные зависимости относительного содержания газа в жидкости на входе в насосный агрегат (δ_вх=Q_г/Q_ж, где Q_г - объемный расход газов, а Q_ж - объемный расход жидкости) от входного давления (Р_вх) с поправкой на значения давления насыщенного пара (Р_п).

При Р_вх, равном 0,06 кг/см², величина δ_вх достигает 380%.

1. Насосный агрегат, содержащий центробежный насос, включающий рабочее колесо с лопастями, установленное на валу, соединенном с приводом, эжекторный насос, установленный соосно перед центробежным насосом по ходу движения перекачиваемой жидкости и включающий насадку с множеством сопел, установленную в канале для подвода перекачиваемой жидкости в насосный агрегат, и последовательно размещенные по ходу движения жидкости конфузор, камеру смешения и диффузор, служащий каналом для подвода жидкости к рабочему колесу центробежного насоса, канал для отвода жидкости высокого давления к потребителю, соединенный со сборником отводящего устройства центробежного насоса, и канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса, отличающийся тем, что канал для подвода жидкости высокого давления к соплам эжекторного насоса соединен непосредственно с каналом для отвода жидкости высокого давления к потребителю.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что насадка выполнена в виде цилиндрической втулки, в которой сопла размещены по окружности на максимальном удалении от оси насадки.

3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что оси сопел расположены под углом 15-19° к оси эжекторного насоса.

4. Агрегат по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения камеры смешения составляет 40-60% от площади поперечного сечения входного участка эжекторного насоса.

5. Агрегат по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что выходное сечение сопел насадки расположено в сечении начала входного участка конфузора по ходу движения перекачиваемой жидкости.

6. Агрегат по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что центральный угол диффузора эжекторного насоса выбран в интервале 35-45°.

7. Агрегат по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что входной участок лопастей рабочего колеса размещен в выходном сечении диффузора эжекторного насоса.

8. Агрегат по п.7, отличающийся тем, что конец начального участка рабочего колеса центробежного насоса расположен в среднем сечении по длине диффузора эжекторного насоса.

9. Агрегат по п.7 или 8, отличающийся тем, что наружная поверхность лопастей рабочего колеса центробежного насоса по ходу движения перекачиваемой жидкости имеет криволинейную форму с увеличением кривизны от входа к выходу.

10. Агрегат по п.9, отличающийся тем, что рабочее колесо имеет форму шнека с постоянно увеличивающимся диаметром наружной поверхности лопастей от входа к выходу по ходу движения перекачиваемой жидкости.