оседиагональный шнековый насос с автоматом разгрузки ротора от осевой силы

Формула изобретения

1. Оседиагональный шнековый насос, содержащий корпус, включающий подвод и отвод, закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающее на большом диаметре к корпусу через уплотнение и образующее с ним разгрузочную камеру с перепускными каналами, отличающийся тем, что уплотнение разгрузочной камеры выполнено щелевым ступенчатым, примыкающим к корпусу через радиальный и торцовый зазоры с внешней, по отношению к проточной части, стороны, а упорный подшипник по наружному кольцу установлен в корпусе с торцовым зазором так, что его величина больше - равна величине торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения.

2. Оседиагональный шнековый насос по п.1, отличающийся тем, что радиальный зазор щелевого ступенчатого уплотнения выполнен заодно с винтовым уплотнением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано в высоконапорных оседиагональных шнековых насосах с повышенными производительностью и ресурсом работы.

Известно применение в центробежных насосах автоматических устройств (автоматов) для разгрузки ротора от воздействия осевой силы (см., например, Ломакин А.А. Осевые и центробежные насосы. М.-Л., Машиностроение, 1966). В качестве автомата разгрузки ротора насоса от осевой силы обычно применяется специальный разгрузочный диск с регулируемым за счет осевого перемещения ротора торцовым зазором, обеспечивающим изменение перепада давления на разгрузочном диске. Причем конструктивно гидравлический тракт на разгрузочном диске выполняется таким образом, что на стационарном режиме перепад давления и действующая за счет этого осевая сила на диске уравновешивают действующую на ротор собственную осевую силу, а при возможном отклонении от состояния равновесия происходит осевое перемещение ротора и изменение торцового зазора, вызывающее изменение перепада давления и осевой силы на разгрузочном диске в противоположном направлении до тех пор, пока не достигается состояние равновесия осевых сил на роторе насоса и разгрузочном диске при новом положении ротора.

Недостатком известного автомата разгрузки ротора от осевой силы является конструктивная сложность, приводящая к увеличению габаритов насоса и ухудшению динамических характеристик ротора (уменьшению запаса по критическим оборотам), за счет удлинения вала и дополнительной нагрузки на вал от вращающейся на нем массы разгрузочного диска. Кроме того, дополнительные утечки жидкости в гидравлическом тракте автомата разгрузки приводят к снижению КПД насоса.

Наиболее близким к изобретению является диагональный шнековый насос (патент РФ №2135835 А1, 08.07.98), содержащий корпус, включающий подвод и отвод, закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающее на большом диаметре к корпусу через уплотнение и образующее с отводом разгрузочную камеру с перепускными каналами. В известном насосе уплотнение между втулкой и корпусом выполнено торцовым импеллерного типа. Подшипниковый узел насоса частично расположен внутри втулки и уплотнен по валу относительно разгрузочной камеры. Внутренняя поверхность части подвода выполнена конической, расширяющейся в направлении отвода, а наружная поверхность колеса, очерчиваемая лопастями при его вращении, выполнена конической, увеличивающейся в диаметре в направлении от входа к выходу, и расположенной напротив конической поверхности подвода.

Однако применение разгрузочной камеры с перепускными каналами в сочетании с импеллерным уплотнением обеспечивает разгрузку ротора насоса от осевой силы только вблизи окрестности номинальной точки по производительности, а при уходе от нее даже в пределах рабочего диапазона по характеристике давление в разгрузочной камере может значительно отличаться от расчетного значения, что приводит к нарушению баланса осевых сил на роторе насоса и вызывает повышенный износ подшипников и снижает ресурс работы ходовой части насоса. Кроме того, устройство во втулке перепускных каналов, обладающих достаточной эффективностью сброса утечек из разгрузочной камеры на вход в насос, имеет конструктивные ограничения по обеспечению необходимой для этого площади их проходного сечения.

Задачей изобретения является обеспечение автоматической разгрузки ротора оседиагонального шнекового насоса от осевой силы без дополнительного увеличения габаритов, снижения его экономичности и ухудшения динамических характеристик ротора (уменьшения запаса по критическим оборотам), что направлено на увеличение надежности и ресурса работы ходовой части указанных насосов.

Технический результат достигается тем, что в оседиагональном шнековом насосе, содержащем корпус, включающий подвод и отвод, закрепленное на валу шнековое колесо с винтовыми лопастями и полой конусообразной втулкой, примыкающее на большом диаметре к корпусу через уплотнение и образующее с ним разгрузочную камеру с перепускными каналами, согласно изобретению уплотнение разгрузочной камеры между втулкой и корпусом выполняется щелевым ступенчатым, примыкающим к корпусу на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры с внешней по отношению к проточной части стороны, а упорный подшипник по наружному кольцу устанавливается в корпусе с торцовым зазором так, что его величина больше-равна торцового зазора щелевого ступенчатого уплотнения, что позволяет перемещаться ротору под воздействием осевой силы в осевом направлении и изменять величину торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении. Причем изменение торцового зазора в щелевом ступенчатом уплотнении оказывает регулирующее влияние с отрицательной обратной связью на величину давления в разгрузочной камере, а следовательно, и связанную с ним осевую силу на роторе насоса.

На чертеже изображен оседиагональный шнековый насос с автоматом разгрузки ротора от осевой силы.

Оседиагональный шнековый насос содержит рабочее шнековое колесо 1 с полой втулкой, закрепленное на валу 2, совместно образующие ротор, вращающийся в радиальном 3 и упорном 4 подшипниках, установленных в корпусе 5. Рабочее шнековое колесо 1 по втулке уплотняется относительно корпуса 5 щелевым ступенчатым уплотнением, примыкающим к корпусу на большом диаметре через радиальный и торцовый зазоры 6,7 и образует с корпусом с внешней по отношению к проточной части стороны разгрузочную камеру 8 с перепускными каналами 9, причем упорный подшипник 4 по наружному кольцу установлен в корпусе 5 с торцовым зазором 10 так, что его величина больше или равна величине торцового зазора 7 щелевого ступенчатого уплотнения.

Щелевое ступенчатое уплотнение выполнено в виде последовательно расположенных по отношению к направлению утечки жидкости из полости высокого давления на выходе шнекового колеса в полость пониженного давления в разгрузочной камере радиального и торцового зазоров. Устройство радиального зазора позволяет увеличить суммарный перепад давления на щелевом уплотнении и, тем самым, увеличить эффективность работы перепускных каналов по сбросу утечек из разгрузочной камеры на вход в насос. Кроме того, жиклирующее действие радиального зазора позволяет ограничить попадание частиц механических примесей из основного потока перекачиваемой жидкости в торцовый зазор щелевого уплотнения, чем обеспечивается надежность и долговечность его работы. Эффективность работы радиального зазора может быть увеличена за счет применения винтового типа щелевого уплотнения.

Повышение гидравлического сопротивления щелевого ступенчатого уплотнения позволяет уменьшить величину утечек через разгрузочную камеру, и следовательно, повысить КПД оседиагонального шнекового насоса.

Использование втулки шнекового колеса в качестве разгрузочного диска позволяет избежать увеличения габаритов и усложнения конструкции оседиагонального шнекового насоса, а также ухудшения динамических характеристик ротора.

Таким образом, при вращении ротора на шнековом колесе 1 (см. чертеж) возникает перепад в распределении давления между выходным и входным сечениями по наружному контуру шнекового колеса, приводящий к возникновению осевой силы на валу 2, которая воздействует на упорный подшипник 4 и передается на корпус 5 насоса (при условии неподвижного его закрепления по наружному кольцу). В случае отсутствия неподвижного закрепления упорного подшипника 4 в корпусе 5 насоса вал 2 вместе с ротором перемещается в том или ином направлении (в сторону входа или выхода) в зависимости от эпюры распределения давления по наружному контуру шнекового колеса. На наружном коническом участке контура шнекового колеса давление повышается от входа к выходу и при воздействии этого перепада на площадь кольцевого сечения между выходным D2 и входным D1 наружными диаметрами колеса возникает осевая сила А1, направленная к выходу. На цилиндрическом участке радиального выхода из шнекового колеса осевая составляющая перепада давления отсутствует. По внутреннему контуру полой втулки колеса 1 перепад давления между выходом и входом воздействует на кольцевое сечение между выходным d2 и входным d1 диаметрами втулки, в результате чего возникает осевая сила А2, направленная к входу. Так как площадь кольцевого сечения на втулке существенно превышает площадь кольцевого сечения по наружному коническому контуру колеса, а перепады давления близки по величине, обычно осевая сила А2 превышает осевую силу А1 и ротор под ее воздействием перемещается в осевом направлении в сторону входа, что приводит к уменьшению торцового зазора 7 в щелевом ступенчатом уплотнении, увеличению его гидравлического сопротивления и снижению давления в разгрузочной камере 8 и, как следствие, к уменьшению величины составляющей осевой силы А2, причем ротор перемещается в осевом направлении до тех пор, пока не наступит баланс осевых сил А1 и А2 при новом положении ротора. Осевое перемещение ротора в сторону входа ограничено величиной торцового зазора 7 в щелевом ступенчатом уплотнении, в пределах изменения которого составляющая осевой силы А2 изменяется от максимального значения до минимального (близкого к нулевому значению), поэтому в пределах этого диапазона упорный подшипник должен иметь свободу перемещения, т.е. торцовый зазор 10 по наружному кольцу.

При возникновении неразгруженной осевой силы и перемещении ротора в противоположном направлении весь процесс уравновешивания составляющих осевых сил на роторе происходит в обратном порядке: увеличение торцового зазора 7 в щелевом ступенчатом уплотнении приводит к уменьшению его гидравлического сопротивления, увеличению давления в разгрузочной камере 8 и возрастанию составляющей осевой силы А2 до значения, обеспечивающего баланс совместно с составляющей осевой силы А1 суммарного воздействия на ротор насоса.

Необходимость применения в оседиагональных шнековых насосах автомата разгрузки ротора от осевой силы вызывается, с одной стороны, дальнейшим повышением уровня параметров: напоров (давления) с Н=10-30 м до Н=100 м и производительности с Q=50-150 м³/час до Q=750 м³ /час, что приводит, как показывает анализ параметров, к возрастанию уровня осевых сил с А=50-80 кг до А=1000-2000 кг, что многократно превышает предельно допустимые нагрузки для применяемых в этих насосах радиальных и радиально-упорных шарикоподшипников, оптимально пригодных по скоростным характеристикам и несущей работоспособности. С другой стороны, благодаря высоким эксплуатационным характеристикам (антикавитационным и энергетическим качествам), оседиагональные шнековые насосы получают все большее распространение в промышленности, и поэтому по отношению к ним все более ужесточаются требования в части повышения надежности и ресурса работы как на номинальном режиме, так и на динамических режимах, изменяющихся в пределах рабочего диапазона напорно-расходной характеристики.