Шнекоцентробежный насос
Изобретение относится к насосостроению. Насос содержит корпуса 8, 24, 26, 51, центробежное рабочее колесо 2 со ступицей 3, имеющей внутреннюю полость 6, установленное на валу 1 в подшипнике 7, защищенном уплотнением 52. Внутри ступицы 3 на подшипниках 10, 11 установлен промежуточный вал 9. Внутри него на подшипниках 13, 14 - внутренний вал 12. На конце вала 12 со стороны входа в насос установлен шнек 15, а на противоположном конце вала 12 закреплено рабочее колесо 18 гидротурбины 17. На валу 9 со стороны входа между шнеком 15 и колесом 2 установлен шнек 19, а на другом его конце - рабочее колесо 20 гидротурбины 21. В ступице 3 выполнены на различных диаметрах две группы отверстий 32, 33 для сообщения полости 6 колеса 2 с внутренней полостью 23 и полости 31 между подшипниками 10, 11 с полостью 6 колеса 2. В отверстиях 33 установлены центробежные регуляторы расхода 34. На заднем торце колеса 2 выполнено уплотнение 29, под которым выполнена разгрузочная полость 30. Валы 1 и 12 выполнены пустотелыми. В валу 1 установлены гидротурбины 17, 21. Подшипник 14 установлен внутри кольца 46 на ребрах 47. В средней части валов 12, 9 выполнены отверстия 42, 43, выходящие в полость 31. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения. Насос имеет плохие кавитационные свойства.
Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, МПК F04D 13/04, опубл. 10.03.1998, содержащий корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежное колесо. 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.
Задачами создания изобретения являются улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.
Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы на радиальном и упорном промежуточных подшипниках, установленных с образованием полости между ними, установлен промежуточный вал, а внутри него на радиальном и упорном внутренних подшипниках - внутренний вал, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, на противоположном конце внутреннего вала закреплено рабочее колесо первой гидротурбины, которое установлено внутри вала, на промежуточном валу со стороны входа между первым шнеком и центробежным рабочим колесом установлен второй шнек, на другом конце промежуточного вала - рабочее колесо второй гидротурбины, в ступице выполнены на различных диаметрах две группы сквозных радиальных или наклоненных под острым углом к оси насоса отверстий, первая группа отверстий, размещенная на большем диаметре, сообщает полость центробежного рабочего колеса с внутренней полостью, а вторая группа отверстий соединяет полость между радиальным и упорным промежуточными подшипниками с полостью центробежного рабочего колеса, в этих отверстиях установлены центробежные регуляторы расхода, на заднем торце центробежного рабочего колеса выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, содержащим среднюю и заднюю полости, между средней и задней полостями установлена первая гидротурбина, между средней и внутренней полостями - вторая гидротурбина, причем внутренний упорный подшипник установлен внутри кольца, установленного на ребрах внутри вала, внутренний вал выполнен пустотелым, в средней части внутреннего и промежуточного вала выполнены радиальные отверстия, выходящие в полость между радиальным и упорным промежуточными подшипниками.
Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен шнекоцентробежный насос, продольный разрез;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - вид Б на фиг.1, первый вариант;
на фиг.4 - вид Б на фиг.1, второй вариант;
на фиг.5 приведена конструкция поршня.
Шнекоцентробежный насос (фиг.1) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлено центробежное рабочее колесо 2. Центробежное рабочее колесо 2 содержит ступицу 3, лопасти 4, переднюю стенку 5 и полости 6 между лопастями 4 и передней стенкой 5. Вал 1 установлен на подшипнике 7 в корпусе 8. Промежуточный вал 9 проходит внутри ступицы 6 и установлен внутри нее на радиальном и упорном внутренних подшипниках 10 и 11, соответственно. Внутри промежуточного вала 9 установлен внутренний вал 12, который установлен внутри промежуточного вала 9 на радиальном и упорном внутренних подшипниках 13 и 14, соответственно. С одной стороны (со стороны входа в центробежное рабочее колесо 2) на внутреннем валу 12 установлен первый шнек 15. На противоположном конце внутреннего вала 12 закреплено рабочее колесо 18 первой гидротурбины 17, рядом с которым внутри вала 1 установлен сопловой аппарат 16 первой гидротурбины 17. На промежуточном валу 9 на переднем конце (со стороны входа в насос) установлен второй шнек 19, а на противоположном конце закреплено рабочее колесо 20 второй гидротурбины 21, рядом с которой установлен сопловой аппарат 22 второй гидротурбины 21. Внутри ступицы 3 выполнена внутренняя полость 23. Вторая гидротурбина 21 установлена внутри внутренней полости 23.
К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 24, имеющий полость 25 и выходной корпус 26, имеющий полость 27. Между корпусом 8 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 28. Со стороны заднего торца центробежного колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 29 и разгрузочная полость 30. Между подшипниками 10 и 11 выполнена промежуточная полость 31. В ступице 3 центробежного колеса 2 выполнены на различных диаметрах две группы отверстий: отверстия 32 на большем диаметре d1 и отверстия 33 на меньшем диаметре d2 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 32 соединяют полости 6 с внутренней полостью 23 и предназначены для отбора части перекачиваемого продукта для привода гидротурбин 17 и 21. Отверстия 33 соединяют промежуточную полость 31 с полостью 6 внутри центробежного рабочего колеса 2 для возврата отобранного расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 2. Отверстия 33 выполнены или под углом 90о (т.е. радиально или перпендикулярно к оси насоса) или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движение вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства.
В отверстиях 33 установлены центробежные регуляторы расхода 34 (фиг.3 и 4), выполненные с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения вала насоса.
Конструкция центробежного регулятора расхода 34 приведена на фиг.3…5. Он содержит седло 35, клапан 36 со штоком 37 и поршнем 38. Внутри седла 35 установлена пружина 39, упирающаяся в поршень 38 и создающая усилие, направленное к оси 0-0 насоса, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 34. Отверстие 40 сообщает промежуточную полость 31 и полости 6 внутри центробежного рабочего колеса 2. В поршне 38 выполнены отверстия 41 (фиг.5) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 2. Напротив промежуточной полости 31 в промежуточном валу 9 выполнены радиальные отверстия 42, а против них во внутреннем валу 12 - радиальные отверстия 43 (фиг.3).
Внутри вала 1 выполнены средняя и задняя полости 44 и 45 (фиг.1). Между задней полостью 44 и средней полостью 45 установлена первая гидротурбина 17, а между средней полостью 45 и внутренней полостью 23 установлена вторая гидротурбина 21. При этом внутренний упорный подшипник 14 установлен внутри внутреннего кольца 46, установленного на ребрах 47. Такая компоновка позволит разгрузить осевые силы промежуточного вала 9 и внутреннего вала 12 и обеспечить смазку всех подшипников.
На первом шнеке 15 может быть выполнен бандаж 48 с уплотнениями 49. Входной корпус 24 в этом случае необходимо изготовить цилиндрическим, это уменьшит перетекание перекачиваемого продукта из-за разности давлений на входе и выходе первого шнека 15. Второй шнек 19 следует выполнить без бандажа, чтобы уменьшить загромождение тракта на входе в центробежное рабочее колесо 2, но внутри центробежного рабочего колеса 2 необходимо предусмотреть цилиндрический пояс 50. Подшипник 1 установлен в заднем корпусе 51 и уплотнен уплотнением 52. Между шнеками 15 и 19 образуется полость 53.
При включении привода (не показан) раскручивается вал 1 с центробежным рабочим колесом 2. Внутри центробежного рабочего колеса 2 и на выходе из него, т.е. в полости 27 повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5%…7%) через отверстия 32 поступает во внутреннюю полость 23, потом через сопловой аппарат 22 и рабочее колесо 20 второй гидротурбины 21 в среднюю полость 45, далее - на сопловой аппарат 16 и рабочее колесо 16 первой гидротурбины 17 в заднюю полость 44. Потом внутри внутреннего вала 12 через радиальные отверстия 43 и 42 в промежуточную полость 31 и через центробежный регулятор расхода 34 возвращается в полости 6 центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 9 с первым шнеком 15 раскручиваются. Раскручивается и промежуточный вал 9 со вторым шнеком 19. Шнеки 15 и 19 значительно повышают давление на входе в центробежное рабочее колесо 2, тем самым предотвращая кавитацию на его входе. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 15 и 19 кавитация на их входных кромках также исключается. Первый шнек 15 повышает давление в полости 53 между шнеками 15 и 19, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе во второй шнек 19. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входах в шнеки 15 и 19 и на входе в центробежное рабочее колесо 2 отсутствует. С учетом того, что первый шнек 15 вращается в 3…5 раз медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, на его входе кавитация исключена. Второй шнек 19 вращается еще медленнее, в 2…3 раза медленнее, что также благоприятно сказывается на кавитационных качествах насоса в целом. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 29, используются для смазки подшипника 7. Это благоприятно сказывается на экономичности насоса. Кроме того, все утечки возвращаются через центробежный регулятор 34 внутрь центробежного рабочего колеса 2, после его входа, и эти утечки, несмотря на относительно высокую температуру, не вызывают ухудшение кавитационных свойств насоса в целом, так как вводятся в область относительно высокого давления. При увеличении скорости вращения вала 1 центробежного рабочего колеса 2 центробежные регуляторы расхода 34 уменьшают расход перекачиваемого продукта через них. Это осуществляется за счет того, что центробежные силы, действующие на клапаны 36, увеличиваются, пружины 39 сжимаются, проходные сечения между седлами 35 и клапанами 36 уменьшаются. Это позволит повысить КПД насоса и одновременно улучшить кавитационные свойства насоса за счет снижения скоростей вращения шнеков 15 и 19.
Применение изобретения позволяет:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков и разных скоростей вращения шнеков, которые обеспечиваются двумя гидротурбинами.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и промежуточного валов.
3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.
Шнекоцентробежный насос, содержащий корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, отличающийся тем, что внутри ступицы на радиальном и упорном промежуточных подшипниках, установленных с образованием полости между ними, установлен промежуточный вал, а внутри него на радиальном и упорном внутренних подшипниках - внутренний вал, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, на противоположном конце внутреннего вала закреплено рабочее колесо первой гидротурбины, которое установлено внутри вала, на промежуточном валу со стороны входа между первым шнеком и центробежным рабочим колесом установлен второй шнек, на другом конце промежуточного вала - рабочее колесо второй гидротурбины, в ступице выполнены на различных диаметрах две группы сквозных радиальных или наклоненных под острым углом к оси насоса отверстий, первая группа отверстий, размещенная на большем диаметре, сообщает полость центробежного рабочего колеса с внутренней полостью, а вторая группа отверстий соединяет полость между радиальным и упорным промежуточными подшипниками с полостью центробежного рабочего колеса, в этих отверстиях установлены центробежные регуляторы расхода, на заднем торце центробежного рабочего колеса выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, содержащим среднюю и заднюю полости, между средней и задней полостями установлена первая гидротурбина, между средней и внутренней полостями - вторая гидротурбина, причем внутренний упорный подшипник установлен внутри кольца, установленного на ребрах внутри вала, внутренний вал выполнен пустотелым, в средней части внутреннего и промежуточного вала выполнены радиальные отверстия, выходящие в полость между радиальным и упорным промежуточными подшипниками.
2. Центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что шнеки выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.
