RU2178838C2

RU2178838C2 - Centrifugal pump

Info

Publication number: RU2178838C2
Application number: RU2000102826A
Authority: RU
Inventors: В.М. Выродов; А.И. Дмитренко; В.И. Момотов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2002-01-27

Abstract

FIELD: pump manufacture, particularly, manufacture of high-lift centrifugal pumps. SUBSTANCE: centrifugal pump has casing, rotor movable in axial direction and disc of squeezing-out device. Rotor is installed in casing and supported in bearings. Disc of squeezing-out device is secured to rotor shaft. Mounted on shaft is impeller combined with balancing ring, which forms together with casing unloading cavity of rotor automatic balancing device. Unloading cavity is separated from low-pressure cavity by face regulating throttle. Formed on both sides of squeezing-out device are unloading cavities formed by disc of squeezing-out device, casing and cylindrical throttles. Pipelines supplying and discharging working medium are connected to unloading cavities. Installed in pipelines are pressure regulators in unloading cavities and pressure pickups. Rotor axial position pickup is installed on side of unloading cavity. Said centrifugal pump is used in control testing of pumps. Invention allows preservation of high serviceability of centrifugal pump at any transient conditions of operation, increase of its efficiency under normal operating conditions, and makes it possible to determine by experiments the characteristic of rotor automatic balancing device. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, а именно к высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) при контрольных испытаниях насосов. The invention relates to pump engineering, and in particular to high-pressure centrifugal pumps, and can be used in turbopump units (TNA) of liquid propellant rocket engines (LRE) during the control tests of pumps.

Одним из главных элементов конструкции, в значительной мере определяющим работоспособность высоконапорных центробежных насосов, в частности насосов ТНА, являются подшипники опор ротора. Обязательным условием обеспечения работоспособности подшипников является осевое уравновешивание ротора, исключающее воздействие осевых усилий на подшипники. Применяются различные устройства осевого уравновешивания ротора. Широкое применение нашли устройства автоматического уравновешивания ротора с переменным торцовым дросселем. Для исключения износа поверхностей торцового дросселя на переходных режимах применяются отжимные устройства. One of the main structural elements, which largely determines the operability of high-pressure centrifugal pumps, in particular TNA pumps, are bearings of rotor bearings. A prerequisite for ensuring the operability of bearings is axial balancing of the rotor, eliminating the effect of axial forces on the bearings. Various rotor axial balancing devices are used. Widespread use of devices for automatic balancing of the rotor with a variable end throttle. To avoid wear on the surfaces of the mechanical inductor during transient conditions, squeezing devices are used.

Известен центробежный насос, содержащий корпус, подвижный в осевом направлении ротор, опирающийся на шарикоподшипники, включающий установленные на вал крыльчатку и разгрузочный диск, образующий с корпусом устройство автоматического уравновешивания ротора с регулирующим торцовым дросселем, и диск отжимного устройства. (Марцинковский В. А. , Ворона П. Н. Насосы атомных электростанций. -М. : Энергоатомиздат, 1987, стр. 96-99, рис. 4.10 - прототип). A centrifugal pump is known, comprising a housing axially movable rotor supported by ball bearings, including an impeller mounted on a shaft and an unloading disk forming an automatic rotor balancing device with a control end choke and a squeezing device disk. (Martsinkovsky V.A., Vorona P.N. Pumps of nuclear power plants. -M.: Energoatomizdat, 1987, pp. 96-99, Fig. 4.10 - prototype).

В указанном насосе отжимной диск закреплен на наружном кольце шарикоподшипника. Между корпусом и отжимным диском установлены пружины, воздействующие на отжимной диск и сдвигающие ротор в начальный период работы насоса в направлении увеличения осевого зазора в торцовой регулирующей щели. In the specified pump, the squeezing disk is mounted on the outer ring of the ball bearing. Between the casing and the squeezing disk, springs are installed, acting on the squeezing disk and shifting the rotor in the initial period of pump operation in the direction of increasing the axial clearance in the end control gap.

Применительно к высоконапорным насосам указанный центробежный насос обладает следующим недостатком. На нерасчетных, переходных режимах, при разгоне и выбеге насоса, когда эффективность устройства автоматического уравновешивания ротора мала, неуравновешенное осевое усилие, действующее на ротор, может достигать значительной величины, в особенности в насосах с приводом от турбины, имеющей общий с насосом вал. Это усилие уравновешивается усилием пружин, которое через отжимной диск передается на шарикоподшипник, что может привести к его поломке. Кроме того, усилие пружин действует на подшипник в течение всего времени работы насоса, что приводит к снижению его долговечности. In relation to high-pressure pumps, the specified centrifugal pump has the following disadvantage. In off-design, transient conditions, during pump acceleration and coasting, when the efficiency of the rotor automatic balancing device is small, the unbalanced axial force exerted on the rotor can reach a significant value, especially in pumps driven by a turbine that has a shaft in common with the pump. This force is balanced by the force of the springs, which is transmitted through the squeezing disk to the ball bearing, which can lead to breakage. In addition, the force of the springs acts on the bearing for the entire duration of the pump, which leads to a decrease in its durability.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение работоспособности насоса за счет исключения воздействия на подшипник усилий отжимного устройства, а также получение возможности снятия рабочей характеристики устройства автоматического уравновешивания ротора. The objective of the invention is to increase the pump performance by eliminating the impact on the bearing of the forces of the squeezing device, as well as obtaining the possibility of taking the working characteristics of the device for automatically balancing the rotor.

Поставленная задача достигается тем, что отжимной диск установлен на вал насоса, с каждой стороны отжимного диска выполнена разгрузочная полость, ограниченная цилиндрическими дросселями, образованными диском отжимного устройства и корпусом, при этом к каждой разгрузочной полости подведены магистрали подвода и отвода рабочей среды с установленными на них регуляторами расхода, и в насосе установлен датчик регистрации осевого положения ротора. The task is achieved by the fact that the squeezing disk is installed on the pump shaft, on each side of the squeezing disk there is a discharge cavity limited by cylindrical inductors formed by the squeezing device disk and the housing, while the supply and discharge lines of the working medium are connected to each discharge cavity with them installed flow regulators, and the pump has a sensor for recording the axial position of the rotor.

На чертеже изображен предлагаемый центробежный насос, где
1 - корпус;
2 - ротор;
3 - диск отжимного устройства;
4, 5 - шарикоподшипники;
6 - вал;
7 - крыльчатка;
8 - разгрузочный диск;
9 - разгрузочная полость устройства автоматического уравновешивания ротора;
10 - полость низкого давления;
11 - регулирующий торцовый дроссель;
12 и 13 - разгрузочные полости отжимного устройства;
14-16 - цилиндрические дроссели;
17 и 18 - магистрали подвода рабочей среды;
19 и 20 - магистрали отвода рабочей среды;
21 и 22 - регуляторы давления;
23 и 24 - датчики давления;
25 - датчик осевого положения ротора.The drawing shows the proposed centrifugal pump, where
1 - case;
2 - rotor;
3 - disk squeezing device;
4, 5 - ball bearings;
6 - shaft;
7 - impeller;
8 - unloading disk;
9 - discharge cavity of the rotor automatic balancing device;
10 - cavity of low pressure;
11 - regulating end throttle;
12 and 13 - discharge cavity of the squeezing device;
14-16 - cylindrical chokes;
17 and 18 - highways supplying a working environment;
19 and 20 - lines for the removal of the working environment;
21 and 22 - pressure regulators;
23 and 24 - pressure sensors;
25 - sensor axial position of the rotor.

Центробежный насос содержит корпус 1, подвижный в осевом направлении ротор 2 и диск 3 отжимного устройства. Ротор 2 установлен в корпус 1 на шарикоподшипниках 4 и 5. Диск 3 отжимного устройства закреплен на валу 6 ротора 2. На валу 6 установлена крыльчатка 7 с совмещенным с ней разгрузочным диском 8. Разгрузочный диск 8 образует с корпусом 1 разгрузочную полость 9 устройства автоматического уравновешивания ротора. Разгрузочная полость 9 устройства автоматического уравновешивания ротора отделена от полости низкого давления 10 регулирующим торцовым дросселем 11. По обе стороны диска 3 отжимного устройства выполнены разгрузочные полости 12 и 13, образованные диском 3 отжимного устройства, корпусом 1 и цилиндрическими дросселями 14-16. К разгрузочным полостям 12 и 13 подведены магистрали подвода 17 и 18 и магистрали отвода 19 и 20 рабочей среды соответственно. На магистралях 17-20 установлены регуляторы 21 и 22 давления в разгрузочных полостях 12 и 13 отжимного устройства и датчики давления 23 и 24 соответственно. Со стороны разгрузочной полости 13 отжимного устройства установлен датчик 25 осевого положения ротора. The centrifugal pump comprises a housing 1, an axially movable rotor 2 and a disk 3 of the squeezing device. The rotor 2 is installed in the housing 1 on ball bearings 4 and 5. The disk 3 of the squeezing device is mounted on the shaft 6 of the rotor 2. An impeller 7 is mounted on the shaft 6 with the unloading disk 8. The unloading disk 8 forms an unloading cavity 9 of the automatic balancing device with the housing 1 rotor. The discharge cavity 9 of the automatic balancing device of the rotor is separated from the low pressure cavity 10 by a regulating end choke 11. On both sides of the disk 3 of the squeezing device, discharge cavities 12 and 13 are formed, formed by the disk 3 of the squeezing device, the housing 1 and the cylindrical chokes 14-16. To the unloading cavities 12 and 13 are summarized supply lines 17 and 18 and discharge lines 19 and 20 of the working medium, respectively. On highways 17-20, pressure regulators 21 and 22 are installed in the discharge cavities 12 and 13 of the squeezing device and pressure sensors 23 and 24, respectively. On the side of the discharge cavity 13 of the squeezing device, a rotor axial position sensor 25 is installed.

В работе при возникновении осевого усилия, например, в сторону входа в насос, ротор перемещается в осевом направлении, при этом зазор δ₃ между торцом датчика 25 осевого положения ротора и торцом диска 3 отжимного устройства увеличивается, а зазор δ₁ между торцом подшипника 5 и торцом корпуса 1 уменьшается. При достижении осевого зазора δ₃,, соответствующего нулевому значению зазора δ₁, по команде регулятором давления 22 повышается давление в разгрузочной полости 13, а регулятором давления 21 понижается давление в разгрузочной полости 12. Повышение давления в разгрузочной полости 13 обеспечивается увеличением расхода через магистраль подвода. Снижение давления в разгрузочной полости 12 обеспечивается увеличением расхода через магистраль отвода 18. При достижении заданного осевого положения ротора, при котором зазоры

изменение давления по команде от датчика осевого положения ротора прекращается.In operation, when an axial force occurs, for example, towards the pump inlet, the rotor moves in the axial direction, while the gap δ ₃ between the end face of the rotor axial position sensor 25 and the end face of the squeezing device disk 3 increases, and the gap δ ₁ between the bearing end 5 and the end of the housing 1 is reduced. When the axial clearance δ ₃ , corresponding to the zero value of the gap δ ₁ , is reached, the pressure regulator 22 increases the pressure in the discharge cavity 13 by command of the pressure regulator 22, and the pressure in the discharge cavity 12 decreases. The pressure in the discharge cavity 13 is increased by increasing the flow rate through the supply line . The decrease in pressure in the discharge cavity 12 is provided by an increase in the flow rate through the branch pipe 18. Upon reaching the specified axial position of the rotor, at which the gaps

the pressure change on the command from the rotor axial position sensor is terminated.

Аналогично происходит работа устройства при возникновении осевого усилия обратного направления. Similarly, the operation of the device occurs when axial forces occur in the opposite direction.

На рабочем режиме ротор регуляторами давления устанавливается по команде в положение, соответствующее минимальному значению зазора δ в регулирующем торцовом дросселе 11 устройства автоматического уравновешивания ротора, благодаря чему обеспечивается повышенный кпд насоса. In operating mode, the rotor pressure regulators are set by command to the position corresponding to the minimum value of the gap δ in the regulating end choke 11 of the rotor automatic balancing device, which ensures increased pump efficiency.

Рабочая среда, подаваемая в разгрузочные полости 12 и 13, может быть жидкой или газообразной. The working medium supplied to the discharge cavities 12 and 13 may be liquid or gaseous.

Для получения рабочей характеристики устройства автоматического уравновешивания ротора снимается зависимость между величиной осевого зазора δ в регулирующем торцовом дросселе 11 от величины внешнего осевого усилия при изменении зазора δ от минимального до максимального. Переменное по величине и направлению внешнее усилие создается изменением перепада давления на диске 3 отжимного устройства посредством регулирования давления среды в разгрузочных полостях 12 и 13, а измерение зазора осуществляется датчиком 25 регистрации осевого положения ротора. To obtain the operating characteristics of the device for automatic balancing of the rotor, the dependence between the value of the axial clearance δ in the regulating end choke 11 on the value of the external axial force when the clearance δ is changed from minimum to maximum is removed. An external force that is variable in magnitude and direction is created by changing the differential pressure on the disk 3 of the squeezing device by adjusting the pressure of the medium in the discharge cavities 12 and 13, and the clearance is measured by the sensor 25 for recording the axial position of the rotor.

Преимущество центробежного насоса состоит в повышенной надежности, что достигается гарантированной осевой разгрузкой подшипников на любых нерасчетных и переходных режимах работы, а также повышенном кпд на основном режиме работы благодаря обеспечению минимальной утечки через зазор δ регулирующего торцового дросселя 11 устройства автоматического уравновешивания ротора. Использование данного насоса в ЖРД позволяет определять экспериментальным путем характеристику устройства автоматического уравновешивания ротора, что повышает объективность прогнозирования его работы в составе двигателя, дает возможность совершенствования методики расчета и исследования устройств автоматического уравновешивания роторов, способствует повышению надежности двигателей. The advantage of a centrifugal pump is its increased reliability, which is achieved by guaranteed axial unloading of bearings in any off-design and transient modes of operation, as well as increased efficiency in the main mode of operation due to the minimum leakage through the gap δ of the regulating mechanical choke 11 of the rotor automatic balancing device. The use of this pump in a liquid propellant rocket engine allows one to determine experimentally the characteristics of the device for automatically balancing the rotor, which increases the objectivity of predicting its operation as part of the engine, makes it possible to improve the methodology for calculating and researching devices for automatically balancing the rotors, and improves the reliability of engines.

Claims

A centrifugal pump, comprising a housing, an axially movable rotor supported by ball bearings, including an impeller mounted on the shaft and an unloading disk, which forms a rotor automatic balancing device with a control end choke, a squeezing device disk, characterized in that the squeezing device disk is installed an unloading cavity is formed on the shaft and on each side of it, formed by the disk of the squeezing device, the housing and cylindrical inductors formed by com squeezing device and the housing, wherein each discharge cavity summed line supply and discharge of the working medium mounted with flow regulators, and the pump is a sensor registering the axial position of the rotor.