RU2409766C1

RU2409766C1 - Radial-flow auger pump

Info

Publication number: RU2409766C1
Application number: RU2009137138/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-01-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed pump comprises housings 5, 21, 23, 35, impeller 2 with hub 3 fitted on shaft 1, and auger 12. Shaft 1 runs in bearing 4 protected by seal 36. Intermediate shaft 6 runs in bearings 7, 8 inside hub 3, inner shaft 9 runs in bearing 10, 11 inside the former shaft. Opposite extension of shaft 9 supports hydraulic turbine impeller 13 arranged inside shaft 1. Auger 16 is arranged on shaft 6 on inlet side, between auger 12 and impeller 2. Impeller 17 of hydraulic turbine 18 is arranged on opposite extension of said shaft. Hub 3 has holes 28 to communicate space of impeller 2 with space 20. Rear end face of impeller 2 incorporates seal 26 with relief space 27 arranged there under. Hollow shaft 1 comprises front, central and rear spaces 20, 29, 30. First hydraulic turbine 14 is mounted between spaces 29 and 30 14. Second hydraulic turbine 18 is mounted between spaces 29 and 20. Thrust bearing 11 is fitted between guide vanes 19 of hydraulic turbine 18. Holes 37 are made in shaft 1 between searing 4 and seal 36 that communicates with space 30.

EFFECT: improved cavitation properties, inner and intermediate shaft relieved of axial loads.

2 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to pump engineering and can be used in any technical field for pumping liquids that do not contain abrasive inclusions, including for pumping cryogenic liquids. It is preferable to use the pump in turbopump units of liquid rocket engines, including cryogenic components.

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.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 has poor cavitation properties.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос, содержащий корпусы, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек (патент РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998). Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. 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.Closest to the invention is a screw centrifugal pump containing housings, a centrifugal impeller with a hub mounted on a shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and a screw (RF patent No. 2106534, IPC 6 F04D 13/04, publ. 10.03.1998) . The screw improves the cavitation properties of the pump, as it has better cavitation properties than a centrifugal impeller. The screw provides an increase in the 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. This does not allow the pump to be operated at very high speeds, for example 40 ... 100 thousand rpm, therefore, such pumps are not currently used.

Задачами создания изобретения являются улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.The objectives of the invention are to improve the cavitation properties of the pump and to ensure the unloading of the axial forces of the internal and intermediate shafts.

Технические результаты достигаются за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпусы, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы установлены на радиальном и упорном промежуточных подшипниках 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 сквозные отверстия, соединяющие полость центробежного рабочего колеса с полостью в ступице, на заднем торце центробежного рабочего колеса выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, содержащим переднюю, среднюю и заднюю полости, между средней и задней полостями установлена первая гидротурбина, между средней и передней полостями - вторая гидротурбина, причем внутренний упорный подшипник установлен внутри соплового аппарата второй гидротурбины, в валу между подшипником и уплотнением выполнены радиальные отверстия, выходящие в заднюю полость. Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.Technical results are achieved due to the fact that in a screw centrifugal pump containing housings, a centrifugal impeller with a hub mounted on a shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and the screw, according to the invention, an intermediate shaft is installed inside the hub on a radial and thrust intermediate bearings, and inside it, on the radial and thrust internal bearings - the inner shaft, on the end of the inner shaft from the pump inlet side, the first screw is installed, on the opposite end of the inner shaft and the impeller of the first hydraulic turbine is mounted, which is installed inside the shaft, a second screw is installed on the intermediate shaft from the inlet between the first screw and the centrifugal impeller, the impeller of the second hydraulic turbine is installed on the other end of the intermediate shaft, through holes are made in the hub connecting the centrifugal working cavity wheels with a cavity in the hub, at the rear end of the centrifugal impeller, a rear seal is made, under which a discharge cavity is made, the shaft is made hollow, containing the middle, rear and middle cavities, the first hydraulic turbine is installed between the middle and rear cavities, the second hydraulic turbine is installed between the middle and front cavities, the internal thrust bearing is installed inside the nozzle apparatus of the second hydraulic turbine, radial holes are made in the shaft between the bearing and the seal that exit into the rear cavity . The screws can be rotated in opposite directions.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где:The invention is illustrated in figures 1 and 2, where:

- на фиг.1 приведен чертеж центробежного насоса,- figure 1 shows a drawing of a centrifugal pump,

- на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.- figure 2 section aa in figure 1.

Центробежный насос (фиг.1) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлено центробежное колесо 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4 в корпусе 5. Промежуточный вал 6 проходит внутри ступицы 3 и установлен внутри нее на радиальном и упорном внутренних подшипниках 7 и 8 соответственно. Внутри промежуточного вала 6 установлен внутренний вал 9, который установлен внутри промежуточного вала 7 на радиальном и упорном внутренних подшипниках 10 и 11 соответственно. С одной стороны (со стороны входа в центробежное рабочее колесо 2) на внутреннем валу 9 установлен первый шнек 12. На противоположном конце внутреннего вала 8 закреплено рабочее колесо 13 первой гидротурбины 14, рядом с которым внутри вала 1 установлен сопловой аппарат первой гидротурбины 15. На промежуточном валу 6 на переднем конце (со стороны входа в насос) установлен второй шнек 16, а на противоположном конце закреплено рабочее колесо 17 второй гидротурбины 18, рядом с которой установлен сопловой аппарат 19 второй гидротурбины 18. Вторая гидротурбина 18 установлена внутри передней полости 20, выполненной в ступице 3. Внутри вала 1 и возможно частично внутри ступицы 3 выполнена передняя полость 20. К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 21, имеющий полость 22, и выходной корпус 23, имеющий полость 24. Между корпусом 5 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 25. Со стороны заднего торца центробежного колеса 2 на ее ступице 3 выполнены заднее уплотнение 26 и разгрузочная полость 27. В ступице 3 центробежного колеса 2 выполнены отверстия 28, выходящие в переднюю полость 20. Внутри вала 1 выполнено три полости: передняя 20, средняя 29 и задняя 30. Между задней полостью 30 и средней полостью 29 установлена первая гидротурбина 14, а между средней полостью 29 и передней полостью 20 установлена вторая гидротурбина 18. При этом внутренний упорный подшипник установлен внутри соплового аппарата 19 второй гидротурбины 18. Такая компоновка позволит разгрузить осевые силы промежуточного вала 6 и внутреннего вала 9 и обеспечить смазку всех подшипников.The centrifugal pump (figure 1) contains a shaft 1, which is made hollow. A centrifugal wheel 2 with a hub 3 is installed on the shaft 1. The shaft 1 is mounted on a bearing 4 in the housing 5. The intermediate shaft 6 extends inside the hub 3 and is installed inside it on the radial and thrust internal bearings 7 and 8, respectively. Inside the intermediate shaft 6, an internal shaft 9 is installed, which is installed inside the intermediate shaft 7 on the radial and thrust internal bearings 10 and 11, respectively. On the one hand (from the entrance to the centrifugal impeller 2), a first screw 12 is installed on the inner shaft 9. At the opposite end of the inner shaft 8, the impeller 13 of the first turbine 14 is fixed, next to which the nozzle apparatus of the first turbine 15 is installed inside the shaft 1. a second screw 16 is installed on the intermediate shaft 6 at the front end (from the pump inlet side), and the impeller 17 of the second hydraulic turbine 18 is fixed at the opposite end, next to which the nozzle apparatus 19 of the second hydraulic turbine is installed 18. The second hydraulic turbine 18 is installed inside the front cavity 20, made in the hub 3. Inside the shaft 1 and possibly partially inside the hub 3, the front cavity 20 is made. The input housing 21 having a cavity 22 and the output housing 23 having a cavity 24 are connected to the housing 5. 5 and a centrifugal impeller 2 has a front seal 25. On the rear end of the centrifugal wheel 2, a rear seal 26 and an unloading cavity 27 are made on its hub 3. Holes 28 are formed in the hub 3 of the centrifugal wheel 2 and extend into the front cavity 20. Inside La 1 has three cavities: the front 20, the middle 29 and the back 30. A first hydraulic turbine 14 is installed between the rear cavity 30 and the middle cavity 29, and a second hydraulic turbine 18 is installed between the middle cavity 29 and the front cavity 20. The internal thrust bearing is installed inside the nozzle the apparatus 19 of the second hydraulic turbine 18. This arrangement will relieve the axial forces of the intermediate shaft 6 and the inner shaft 9 and provide lubrication to all bearings.

На первом шнеке 10 может быть выполнен бандаж 31 с уплотнениями 32. Входной корпус 21 в этом случае необходимо изготовить цилиндрическим, это уменьшит перетекание перекачиваемого продукта из-за разности давлений на входе и выходе первого шнека 10. Второй шнек 15 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 33. Между шнеками 12 и 16 выполнена полость 34. Подшипник 4 установлен в заднем корпусе 35 и уплотнен уплотнением 36. В валу 1 выполнены радиальные отверстия 37, выходящие с одной стороны в полость 38 между подшипником 4 и уплотнением 36, а с другой - в заднюю полость 30.A band 31 with seals 32 can be made on the first screw 10. The input housing 21 in this case needs to be made cylindrical, this will reduce the flow of the pumped product due to the pressure difference at the input and output of the first screw 10. The second screw 15 should be made without a band so that reduce clutter of the tract at the entrance to the centrifugal impeller 2, but inside the centrifugal impeller 2 it is necessary to provide a cylindrical belt 33. A cavity 34 is made between the screws 12 and 16. The bearing 4 is installed in the rear housing 35 and it is sealed by a seal 36. In the shaft 1 there are made radial holes 37 extending on one side into the cavity 38 between the bearing 4 and the seal 36, and on the other into the back cavity 30.

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 34, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 26 поступает в разгрузочную полость 27 и далее через подшипник 4 - в полость 38, потом через радиальные отверстия 37 в заднюю полость 30, потом через сопловой аппарат 15 первой гидротурбины 14, рабочее колесо 13 первой гидротурбины 14 в среднюю полость 29, далее - на сопловой аппарат 19 второй гидротурбины 18, в переднюю полость 20, отверстия 28 - в полость центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 9 с первым шнеком 12 раскручивается, раскручивается промежуточный вал 6 со вторым шнеком 16. Шнеки 12 и 16 значительно повышают давление на входе в центробежное рабочее колесо 2, тем самым предотвращая кавитацию на ее входе. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 12 и 16 кавитация на их входных кромках также исключается. Первый шнек 12 повышает давление между шнеками 12 и 16, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе во второй шнек 16. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входах в шнеки 12 и 16 и на входе в центробежное рабочее колесо 2 отсутствует. С учетом того, что первый шнек 12 вращается в 3…5 раз медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, на его входе кавитация исключена. Второй шнек 16 вращается еще медленнее, в 2…3 раза медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, что также благоприятно сказывается на кавитационных качествах насоса в целом. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 26, используются для смазки всех подшипников и для привода двух гидротурбин 14 и 18, т.е. специально отбор перекачиваемого продукта для привода шнеков не применяется. Это благоприятно сказывается на экономичности насоса. Кроме того, все утечки возвращаются через специальные отверстия 28 внутрь центробежного рабочее колеса 2, за его входом, и эти утечки, несмотря на относительно высокую температуру не вызывают ухудшение кавитационных свойств насоса в целом, так как вводятся в область относительно высокого давления. Кроме того, объемный КПД насоса в этом случае реально достигает 100%, что позволяет в целом достичь максимально возможного КПД насоса. Применение изобретения позволило:When you turn on the drive (not shown), the shaft 1 spins with a centrifugal impeller 2. Inside the centrifugal impeller 2 and at the exit from it, i.e. in the cavity 34, the pressure of the pumped product increases, and part of it (5% ... 7%) through the rear seal 26 enters the discharge cavity 27 and then through the bearing 4 into the cavity 38, then through the radial holes 37 into the back cavity 30, then through the nozzle apparatus 15 of the first turbine 14, the impeller 13 of the first turbine 14 into the middle cavity 29, then to the nozzle apparatus 19 of the second turbine 18, into the front cavity 20, holes 28 into the cavity of the centrifugal impeller 2. Internal shaft 9 with the first screw 12 untwists, untwists between a weft shaft 6 with a second screw 16. The screws 12 and 16 significantly increase the pressure at the inlet to the centrifugal impeller 2, thereby preventing cavitation at its inlet. Due to the reduced speed of the screws 12 and 16 themselves, cavitation at their inlet edges is also excluded. The first screw 12 increases the pressure between the screws 12 and 16, creating favorable conditions from the point of view of preventing cavitation at the entrance to the second screw 16. There is no bypass of the heated pumped product at the inlets of the screws 12 and 16 and at the entrance to the centrifugal impeller 2. Given that the first screw 12 rotates 3 ... 5 times slower than the centrifugal impeller 2, cavitation is excluded at its inlet. The second screw 16 rotates even slower, 2 ... 3 times slower than the centrifugal impeller 2, which also favorably affects the cavitation qualities of the pump as a whole. Leaks of the pumped product, which passed through the rear seal 26, are used to lubricate all bearings and to drive two hydraulic turbines 14 and 18, i.e. specially selected pumped product for the drive of the screws is not used. This favorably affects the efficiency of the pump. In addition, all leaks return through special openings 28 into the centrifugal impeller 2, behind its inlet, and these leaks, despite the relatively high temperature, do not cause a deterioration in the cavitation properties of the pump as a whole, as they are introduced into the region of relatively high pressure. In addition, the volumetric efficiency of the pump in this case actually reaches 100%, which makes it possible to achieve the maximum possible pump efficiency as a whole. The application of the invention allowed:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков, разной скорости вращения шнеков, которая обеспечивается двумя гидротурбинами.1. Significantly improve the cavitation properties of the pump through the use of two augers, a decrease in the rotational speeds of the augers, and a different rotational speed of the augers, which is provided by two hydraulic turbines.

2. Обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и промежуточного валов.2. Ensure the unloading of the axial forces of the inner and intermediate shafts.

3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.3. Design a pump of very high power by increasing the speed of the centrifugal impeller of the pump to the maximum permissible strength.

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.5. Create a pump with minimum weight and dimensions with high pressure and performance.

6. Полностью использовать утечки перекачиваемого продукта для смазки всех подшипников и привода двух гидротурбин и полностью предотвратить утечки перекачиваемого продукта в дренаж, повысив его объемный КПД реально до 100%, исключив даже минимальные утечки перекачиваемого продукта.6. Fully use the leaks of the pumped product to lubricate all the bearings and the drive of the two hydraulic turbines and completely prevent the leakage of the pumped product into the drainage, increasing its volumetric efficiency to 100%, eliminating even minimal leakage of the pumped product.

7. Увеличить КПД насоса за счет предотвращения утечек продукта в дренаж и их использования для привода гидротурбины. В предложенной конструкции насоса утечки перекачиваемого продукта после смазки двух подшипников приводят в действие гидротурбину и далее возвращаются в насос во внутреннюю полость центробежного рабочего колеса в область среднего давления.7. Increase the efficiency of the pump by preventing product leaks into the drain and their use to drive a turbine. In the proposed design of the pump, the leaks of the pumped product after lubricating the two bearings drive a hydraulic turbine and then return to the pump in the inner cavity of the centrifugal impeller in the medium pressure region.

Claims

1. A screw centrifugal pump, comprising housings, a centrifugal impeller with a hub mounted on a shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and a screw, characterized in that the intermediate shaft is mounted on the radial and thrust intermediate bearings and the radial inside and persistent internal bearings - the internal shaft, the first screw is installed on the end of the internal shaft from the pump inlet side, the impeller of the first hydraulic turbine is fixed on the opposite end of the internal shaft, which The swarm is installed inside the shaft, on the intermediate shaft from the inlet side between the first screw and the centrifugal impeller, a second screw is installed, on the other end of the intermediate shaft is the impeller of the second hydraulic turbine, through holes are made in the hub connecting the cavity of the centrifugal impeller with the cavity in the hub, on the rear end of the centrifugal impeller has a rear seal, under which a discharge cavity is made, the shaft is hollow, containing the front, middle and rear cavities, between the middle and rear second cavities mounted first turbine, between the middle and anterior cavities - the second turbine, the inner thrust bearing is mounted within the nozzle of the second hydraulic turbine to the shaft between the bearing and the seal provided with radial openings facing rear cavity.

2. The centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the screws are rotatable in opposite directions.