RU2383782C2

RU2383782C2 - Auger centrifugal pump

Info

Publication number: RU2383782C2
Application number: RU2008110758/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин; Дмитрий Валентинович Моисеев (RU); Дмитрий Валентинович Моисеев
Original assignee: Николай Борисович Болотин; Дмитрий Валентинович Моисеев
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2010-03-10
Also published as: RU2008110758A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to pump production and can be used in turbopump units incorporated with liquid propellant rocket engines. Proposed pump comprises housing 20, auger 4 and impeller 2 with hub 3 fitted on shaft 1. It also incorporates extra shaft 13 with collar 34, friction 7 and magnetic 31 couplings, hydraulic turbine, inner spring 33 and automatic control device 10 fitted on shaft 13 to control load on auger 4. The latter is furnished with sleeve 5 and ring 6 and seats on extra shaft 13. Friction coupling 7 is arranged on auger ring end face and impeller 2. Nozzle unit 29 and hydraulic turbine wheel 30 are arranged inside chamber 28 of hub 3 of impeller 2 communicated, via holes 32, with inside space of impeller 2. Turbine wheel 30 is coupled, via magnetic coupling 31, with extra shaft 13 that axially displaces and is loaded by inner spring 33. The latter thrusts against collar 34 of shaft 13 and hub 3 of impeller 2. Auger 4 is loaded by spring 10 of aforesaid automatic control device 11 on the pump inlet side.

EFFECT: improved anti-cavitation properties.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей ЖРД.The invention relates to pump engineering and can be used mainly in turbopump units of liquid propellant rocket engines.

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.Known screw centrifugal pump according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2094660, comprising a detachable body, centrifugal impellers (impellers), auger, shaft and support units in the form of sliding and rolling bearings. The pump is not designed for the fuel supply system of the LRE.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, шнек и установленную на валу крыльчатку со ступицей (RU 2106534 С1, 10.03.1998). 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.Closest to the invention is a screw centrifugal pump comprising a housing, a screw and an impeller with a hub mounted on the shaft (RU 2106534 C1, 03/10/1998). The screw improves the anti-cavitation properties of the pump, as it has better anti-cavitation properties than a centrifugal impeller. The screw provides an increase in the anti-cavitation properties of the pump, but it is mechanically connected to the impeller of the pump and has the same angular rotation speed with it. However, the desire to reduce the weight and dimensions of the pumps, especially in rocketry, required a significant increase in the rotor speed, while the anti-cavitation properties of the pumps deteriorated. This did not allow the pump to be operated at very large angular rotational speeds of the rotor, for example 40 ... 100 thousand rpm. The use of gear circuits would increase the weight of the pump and complicate its design.

Задачей изобретения является улучшение антикавитационных свойств насоса.The objective of the invention is to improve the anti-cavitation properties of the pump.

Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпус, шнек и установленную на валу крыльчатку со ступицей, согласно изобретению насос снабжен дополнительным валом с буртиком, фрикционной и магнитной муфтами, гидротурбиной, внутренней пружиной и установленным на дополнительном валу автоматом управления нагрузкой шнека, последний выполнен с втулкой и бандажом и установлен на дополнительном валу, фрикционная муфта выполнена на торце бандажа шнека и крыльчатке, во внутренней полости ступицы которой, сообщенной отверстиями с полостью крыльчатки, установлены сопловой аппарат и рабочее колесо гидротурбины, при этом рабочее колесо гидротурбины через магнитную муфту связано с дополнительным валом, который установлен с возможностью осевого перемещения и подпружинен внутренней пружиной, установленной с упором в бурт вала и ступицу крыльчатки, а шнек подпружинен со стороны входа насоса пружиной автомата управления нагрузкой шнека.The technical result is achieved due to the fact that in a screw centrifugal pump containing a housing, a screw and an impeller with a hub mounted on the shaft, according to the invention, the pump is equipped with an additional shaft with a shoulder, a friction and magnetic couplings, a hydraulic turbine, an internal spring and a load control device mounted on the additional shaft screw, the latter is made with a sleeve and a bandage and mounted on an additional shaft, the friction clutch is made on the end of the screw bandage and the impeller, in the inner cavity of the hub a nozzle and a hydraulic turbine impeller are installed by means of openings with openings with the impeller cavity, and the hydraulic turbine impeller is connected through an magnetic coupling to an additional shaft, which is axially movable and spring-loaded with an internal spring mounted with emphasis on the shaft shoulder and the impeller hub, and the auger is spring-loaded on the pump inlet side by the spring of the auger load control automat.

Автомат управления нагрузкой шнека может включать стакан, закрепленный на дополнительном валу, и крышку, и пружина автомата может быть установлена внутри стакана с упором с одной стороны в его внутренний торец, а с другой - через крышку и контактное кольцо - в торец втулки шнека.The auger load control machine may include a cup mounted on an additional shaft, and a cover and a spring of the machine can be installed inside the cup with emphasis on the one hand in its inner end, and on the other hand through the cover and contact ring into the end of the auger sleeve.

Фрикционная муфта может быть выполнена конической и содержать фрикционные накладки.The friction clutch may be tapered and include friction linings.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где;The invention is illustrated by drawings, where;

на фиг.1 схематично приведен продольный разрез шнекоцентробежного насоса,figure 1 schematically shows a longitudinal section of a screw centrifugal pump,

на фиг.2 - узел А на фиг.1.figure 2 - node a in figure 1.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1) содержит установленную на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3 и шнек 4, размещенные в корпусе 20. Крыльчатка 2 жестко связана с валом 1, например, посредством шпонки или шлицевого соединения. Шнек 4 имеет втулку 5 и бандаж 6 и установлен на дополнительном валу 13.The screw centrifugal pump (Fig. 1) comprises an impeller 2 mounted on the shaft 1 with a hub 3 and a screw 4 located in the housing 20. The impeller 2 is rigidly connected to the shaft 1, for example, by means of a dowel or splined connection. The screw 4 has a sleeve 5 and a bandage 6 and is mounted on an additional shaft 13.

Между шнеком 4 и крыльчаткой 2 выполнена фрикционная муфта 7, которая содержит фрикционные накладки 8 на бандаже 6 шнека 4 и фрикционные накладки 9 на торце крыльчатки 2. (фиг.2). Фрикционную муфту 7 можно выполнить конической. При этом наклон фрикционных накладок 8, 9 выполнен таким, что утечки перекачиваемого продукта, проходящие между ними, встречаются с утечками, проходящими между крыльчаткой 2, бандажом 6 и корпусом 20, запирая оба гидравлических канала, тем самым уменьшая величину утечек, что в целом повышает КПД насоса.Between the screw 4 and the impeller 2, a friction clutch 7 is made, which contains friction pads 8 on the band 6 of the screw 4 and friction pads 9 on the end face of the impeller 2. (FIG. 2). The friction clutch 7 can be made conical. Moreover, the inclination of the friction linings 8, 9 is such that leakages of the pumped product passing between them occur with leaks passing between the impeller 2, the retainer 6 and the housing 20, locking both hydraulic channels, thereby reducing the amount of leakage, which generally increases Pump efficiency.

Шнек 4 подпружинен со стороны входа насоса пружиной 10 автомата 11 управления нагрузкой шнека 4. Пружина 10 установлена внутри стакана 12. Стакан 12 прижат к дополнительному валу 13 болтом 14 и закрыт с противоположной стороны крышкой 15. На торце крышки 15 и на торцах втулки 5 шнека 4 выполнены контактные кольца 16. Контактные кольца 16 необходимы для предотвращения износа торцов втулки 5 шнека 4, имеющего частоту вращения, значительно отличающуюся от частоты вращения вала 1 и крыльчатки 2. Крышка 15 зафиксирована от проворота штифтом 17 (фиг.1), установленным в стакане 12 и выступающим в продольном пазу 18 для обеспечения осевого перемещения крышки 15 относительно стакана 14, что необходимо для работы автомата 11 управления нагрузкой шнека 4.The screw 4 is spring-loaded from the pump inlet side by the spring 10 of the screw load control machine 11 of the screw 4. The spring 10 is mounted inside the glass 12. The glass 12 is pressed against the additional shaft 13 by a bolt 14 and is closed by a cover 15. On the end of the cover 15 and on the ends of the screw sleeve 5 4, the contact rings 16 are made. The contact rings 16 are necessary to prevent wear on the ends of the sleeve 5 of the screw 4 having a rotational speed significantly different from the rotational speed of the shaft 1 and the impeller 2. The cover 15 is fixed from rotation by a pin 17 (Fig. 1) installed m in the beaker 12 and protruding in the longitudinal groove 18 to ensure axial movement of cover 15 relative to nozzle 14, which is necessary for loading of the screw 4, the control automaton 11.

Вал 1 установлен в основном подшипнике 19, который в свою очередь установлен в корпусе 20. К корпусу 20 подстыкованы входной корпус 21 с входной полостью 22 и выходной корпус 23 с выходной полостью 24. Между шнеком 4 и крыльчаткой 2 выполнена полость 25. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 26, отделяющее выходную полость 24 от разгрузочной полости 27 Разгрузочная полость 27 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 19.The shaft 1 is installed in the main bearing 19, which in turn is installed in the housing 20. An input housing 21 with an input cavity 22 and an output housing 23 with an output cavity 24 are connected to the housing 20. A cavity 25 is made between the screw 4 and the impeller 2. At the rear end the hub 3 of the impeller 2 has a rear seal 26 that separates the outlet cavity 24 from the discharge cavity 27 The discharge cavity 27 allows to reduce the axial force on the main bearing 19.

Внутри ступицы 3 крыльчатки 2 выполнена внутренняя полость 28, в которой установлены сопловой аппарат 29 и рабочее колесо 30 гидротурбины. Сопловой аппарат 29 гидротурбины связан с крыльчаткой 2, а рабочее колесо 30 гидротурбины связано через магнитную муфту 31 с дополнительным валом 13, В ступице 3 выполнены отверстия 32, выходящие из полости крыльчатки 2 во внутреннюю полость 28 для возврата утечек перекачиваемого продукта внутрь крыльчатки 2. Внутренняя пружина 33 установлена на дополнительном валу 13 и упирается одним концом в буртик 34 дополнительного вала 13, а другим концом в торец ступицы 3.Inside the hub 3 of the impeller 2, an internal cavity 28 is made in which a nozzle apparatus 29 and an impeller 30 of the turbine are installed. The nozzle apparatus 29 of the hydraulic turbine is connected to the impeller 2, and the impeller 30 of the hydraulic turbine is connected through a magnetic coupling 31 to the additional shaft 13. In the hub 3, holes 32 are made that exit from the cavity of the impeller 2 into the internal cavity 28 to return leaks of the pumped product into the impeller 2. Internal the spring 33 is mounted on the additional shaft 13 and abuts at one end against the shoulder 34 of the additional shaft 13, and the other end against the end face of the hub 3.

При работе пружина 10 упирается одним торцом в торец стакана 12, другим в торец крышки 16 и далее и максимально (до соприкосновения) сближает фрикционные накладки 8 и 9 фрикционной муфты 7. При этом зазор между накладками 8, 9 (фиг.2) уменьшается, и мощность, передаваемая магнитной муфтой 7, возрастает. При запуске насоса шнек 4 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим давление перекачиваемого продукта в полости 27 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 4. Но в то же время из-за большой скорости вращения крыльчатки 2 могут создаться условия возникновения кавитации на входе в крыльчатку 2. Повышенное давление в полости 25 создает осевое усилие и перемещает шнек 4 в сторону входа в насос, при этом сжимается пружина 10 и дальнейшее перемещение шнека 4 прекращается. Зазор между фрикционными накладками 8 и 9 муфты 7 увеличивается, и автоматически уменьшается крутящий момент, передаваемый с вала 1 на шнек 4. Частота вращения шнека 4 уменьшается, и улучшаются условия для предотвращения кавитации на входе в шнек 4.During operation, the spring 10 abuts one end on the end of the cup 12, the other on the end of the lid 16 and further and as close as possible (to touch) brings the friction lining 8 and 9 of the friction clutch 7. It reduces the gap between the lining 8, 9 (figure 2), and the power transmitted by the magnetic clutch 7 increases. When starting the pump, the screw 4 rotates at almost the same speed as the impeller 2, which favorably affects the anti-cavitation properties of the pump. When the screw centrifugal pump reaches its maximum mode, the pressure of the pumped product in the cavity 27 will be greater than is necessary from the condition that there is no cavitation at the inlet to the auger 4. But at the same time, due to the high speed of rotation of the impeller 2, conditions for the occurrence of cavitation at the inlet to the the impeller 2. The increased pressure in the cavity 25 creates an axial force and moves the screw 4 towards the pump inlet, while the spring 10 is compressed and the further movement of the screw 4 is stopped. The gap between the friction linings 8 and 9 of the coupling 7 increases, and the torque transmitted from the shaft 1 to the screw 4 automatically decreases. The frequency of rotation of the screw 4 decreases, and the conditions for preventing cavitation at the inlet to the screw 4 are improved.

При падении давления в полости 25 происходит обратный процесс, т.е. шнек 4 перемещается в сторону крыльчатки 2, тем самым процесс регулирования нагрузки на фрикционную муфту 7 будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит антикавитационные свойства насоса, например при частоте вращения вала 100000 об/мин можно получить скорость вращения дополнительного шнека 5 порядка 5000…10000 об/мин, т.е. предельную по кавитационным свойствам шнека 4 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.When the pressure drops in the cavity 25, the reverse process occurs, i.e. the screw 4 moves towards the impeller 2, thereby the process of regulating the load on the friction clutch 7 will be fully automated. This will significantly improve the anti-cavitation properties of the pump, for example, at a shaft speed of 100,000 rpm, you can get the rotation speed of an additional screw 5 of the order of 5000 ... 10000 rpm, i.e. limiting speed on cavitation properties of screw 4. At the same time, at one stage of the centrifugal pump, the maximum possible increase in pressure will be obtained with a minimum weight and dimensions of the pump, which is crucial for rocket engines.

Применение изобретения позволяет следующее.The application of the invention allows the following.

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы насоса и размещения пружины автомата управления нагрузкой шнека внутри стакана на валу.1. Significantly improve the cavitation properties of the pump by reducing the speed of rotation of the auger, using the console circuit of the pump and placing the spring of the automatic machine for controlling the load of the auger inside the cup on the shaft.

2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.2. Increase pump efficiency by reducing leakage in the gaps.

3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет размещения фрикционной муфты на большом диаметре и на большой конической поверхности.3. Design a pump of very high power by placing the friction clutch on a large diameter and on a large conical surface.

4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.4. To prevent the stall of the flow of the pumped component in the pump due to cavitation at its inlet.

5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.5. Create a pump with minimum weight and dimensions with high pressure and performance, which is of paramount importance in rocketry.

6. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.6. Provide automatic regulation of anti-cavitation properties of the pump.

7. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса.7. Relieve axial forces acting on the pump rotor.

Claims

1. A screw centrifugal pump comprising a housing, a screw and an impeller with a hub mounted on the shaft, characterized in that the pump is equipped with an additional shaft with a shoulder, a friction and magnetic couplings, a hydraulic turbine, an internal spring and an automatic control of the load of the screw installed on the additional shaft, the latter is made with sleeve and bandage and mounted on an additional shaft, the friction clutch is made on the end of the screw bandage and the impeller, in the inner cavity of the hub of which is communicated by holes with the cavity of the impeller, a nozzle apparatus and an impeller of a hydraulic turbine are installed, and the impeller of the hydraulic turbine is connected through a magnetic coupling to an additional shaft, which is axially movable and spring-loaded with an internal spring mounted with emphasis on the shaft shoulder and the impeller hub, and the screw is spring-loaded on the pump inlet side auger load control machine.

2. The pump according to claim 1, characterized in that the screw load control device includes a cup mounted on an additional shaft, and a cover, and the machine spring is installed inside the cup with emphasis on one side of its inner end, and on the other hand through the cover and the contact ring is at the end of the screw sleeve.

3. The pump according to claim 1 or 2, characterized in that the friction clutch is made conical and contains friction pads.