шнекоцентробежный насос

Формула изобретения

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек, отличающийся тем, что шнек установлен и закреплен на дополнительном валу при помощи конической гайки с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, установленной на дополнительном валу, внутри ступицы крыльчатки выполнена внутренняя полость, в которой размещены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины таким образом, что образуются полости перед сопловым аппаратом гидротурбины и за рабочим колесом гидротурбины, втулка связана с дополнительным валом через торцовую магнитную муфту, имеющую ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, при этом в крыльчатке выполнены отверстия, которые сообщают полость крыльчатки с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, в ведущей полумуфте и конической гайке выполнены радиальные отверстия, а в дополнительном валу - осевое отверстие для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос.

2. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что в отверстиях, выполненных в крыльчатке, установлены жиклеры.

3. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что полумуфты установлены относительно друг друга с осевым зазором, величина которого может изменяться в зависимости от режима работы насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей ЖРД.

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 не предназначен для системы топливопитания ЖРД.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ № 2106534, кл. F04D 13/04, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек. Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение антикавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Однако стремление уменьшить вес и габариты насосов, особенно в ракетной технике, потребовало значительного увеличения частоты вращения ротора, при этом антикавитационные свойства насосов ухудшились. Это не позволило эксплуатировать насос при очень больших угловых скоростях вращения ротора, например 40 100 тыс. об/мин. Применение редукторных схем увеличило бы вес насоса и усложнило его конструкцию.

Задачей изобретения является улучшение антикавитационных свойств насоса.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус, установленную на валу крыльчатку со ступицей и шнек, согласно изобретению шнек установлен и закреплен на дополнительном валу при помощи конической гайки с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, установленной на дополнительном валу, внутри ступицы крыльчатки выполнена внутренняя полость, в которой размещены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины таким образом, что образуются полости перед сопловым аппаратом гидротурбины и за рабочим колесом гидротурбины, втулка связана с дополнительным валом через торцовую магнитную муфту, имеющую ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, при этом в крыльчатке выполнены отверстия, которые сообщают полость крыльчатки с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, в ведущей полумуфте и конической гайке выполнены радиальные отверстия, а в дополнительном валу - осевое отверстие для образования канала возврата части перекачиваемого продукта, проходящего через гидротурбину на вход в насос. В отверстиях, выполненных в крыльчатке, могут быть установлены жиклеры. Полумуфты магнитной муфты могут быть установлены относительно друг друга с осевым зазором, величина которого может изменяться в зависимости от режима работы насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена конструкция шнекоцентробежного насоса.

На фиг.2 - узел А на фиг.1.

На фиг.3 - узел Б на фиг.1.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1 3) содержит установленную на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4. Шнек 5 установлен на дополнительном валу 6 и закреплен при помощи конической гайки 7. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнен зазор 1, величина которого может изменяться. Крыльчатка 2 жестко связана с валом 1, например, посредством фланца. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т.е. вращения с различной частотой и осевого перемещения внутри крыльчатки 2. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 8, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо 9 гидротурбины. Перед рабочим колесом 9 гидротурбины установлен сопловый аппарат 10 гидротурбины, который крепится внутри вала 1 во внутренней полости 11 и делит эти полости на две полости: полость 12 перед сопловым аппаратом 10 гидротурбины и полость 13 - за рабочим колесом 9 гидротурбины. Полость 12 отверстиями 14, выполненными в крыльчатке 2, сообщается с полостью крыльчатки 2. В отверстиях 14 могут быть установлены жиклеры 15 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо 9 гидротурбины. Между дополнительным валом 6 и втулкой 8 выполнена магнитная муфта 16, которая содержит ведущую и ведомую полумуфты соответственно 17 и 18 с постоянными магнитами 19. Дополнительный вал 6 подпружинен в сторону выхода насоса пружиной 20, которая упирается одним концом в кольцевой буртик 21, выполненный внутри втулки 8, а с другой стороны - в ведущую полумуфту 17 (фиг.3).

Полость 13 сообщается с входом в насос при помощи отверстий 22, выполненных в ведущей полумуфте 16, осевого отверстия 23, выполненного внутри дополнительного вала 6, полости 24 внутри конической гайки 7 и радиальных отверстий 25, выполненных в конической гайке 7 и выходящих в ее внутреннюю полость 24. Подшипник 4 установлен в корпусе 25. К корпусу 25 подстыкован входной корпус 26 с входной полостью 27 и выходной корпус 28 с выходной полостью 29, между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнена полость 30. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 31, отделяющее выходную полость 29 от разгрузочной полости 32. Разгрузочная полость 32 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 установлен упорный подшипник 33, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере, один радиальный подшипник 34. Между втулкой 8 и ступицей 3 крыльчатки 2 установлен упорный подшипник 35. Второй упорный подшипник 35 установлен с противоположной стороны. Втулка 8 установлена на радиальных подшипниках 36. Один из радиальных подшипников 36 установлен внутри ступицы 3 крыльчатки 2, а другой - внутри втулки 8. Магнитная муфта 16 установлена на подшипнике 37, который выполнен в опоре 38. Опора 38 установлена внутри вала 1.

При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2, за счет поджатия пружиной 20, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим давление перекачиваемого продукта в полости 30 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полости 30 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 20 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1. Это достигается за счет подбора мощности, создаваемой рабочим колесом 9 гидротурбины посредством жиклеров 15. Осевые зазоры ₁ и ₂ увеличатся (фиг.2 и 3), поэтому мощность, передаваемая магнитной муфтой 16 на рабочее колесо 9 гидротурбины, уменьшится, и уменьшится частота вращения шнека 5, что благоприятно скажется на антикавитационных свойствах шнека 5 и насоса в целом. Отработавший в гидротурбине перекачиваемый продукт возвращается на вход в насос, во-первых, на минимально возможном диаметре на конической части конической гайки 7, во-вторых, ввод этой части перекачиваемого продукта (10 30% от общего расхода) выполняется на вход в низкооборотный шнек 5. Различные частоты вращения крыльчатки 2 и шнека 5 реализованы без применения редуктора, а мощность, передаваемая на шнек 5, достаточно велика за счет применения радиальной магнитной муфты.

При падении давления в полости 27 происходит обратный процесс, т.е. шнек 5 перемещается в сторону крыльчатки 2, тем самым процесс регулирования нагрузки будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит антикавитационные свойства насоса, например, при частоте вращения вала 100000 об/мин можно получить скорость вращения шнека 5 порядка 5000 10000 об/мин, т.е. предельную по кавитационным свойствам шнека скорость. При этом на одной ступени центробежного насоса будет получено максимально возможное повышение давления при минимальном весе и габаритах насоса, что имеет решающее значение для ракетных двигателей.

Применение изобретения позволит:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы и размещения пружин автомата управления нагрузкой шнека внутри на дополнительном валу внутри втулки. Обеспечить передачу значительной мощности за счет применения радиальной магнитной муфты и автоматическое регулирование частоты вращения шнека в зависимости от режима работы насоса за счет возможности управления зазором между полумуфтами магнитной муфты.

2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.

3. Спроектировать насос очень большой мощности, имеющей достаточно мощный шнек, за счет радиальной конструкции магнитной муфты.

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, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.

6. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.

7. Улучшить смазку магнитных подшипников.

8. Разгрузить осевые силы, действующие на роторы насоса, а именно: на основной вал, дополнительный вал и втулку, на которой закреплено рабочее колесо гидротурбины.