RU2412375C1

RU2412375C1 - Screw centrifugal pump

Info

Publication number: RU2412375C1
Application number: RU2009135527/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: screw centrifugal pump comprises vessels 20, 21, 23, centrifugal impeller 2 with hub 3, installed on shaft 1, and screw 5. Screw 5 is installed on additional shaft 6 with the possibility of axial displacement and is spring-loaded in the end at the side of pump outlet by spring 19, installed on shaft 6. Inside hub 3 of impeller 2 there is an internal cavity 10, where nozzle unit 9 and hydraulic turbine impeller 8 are placed, forming cavities 11, 12 upstream nozzle unit 9 and downstream hydraulic turbine impeller 8. Hydraulic turbine impeller 8 is connected via reducer 18 with additional shaft 6. In centrifugal impeller 2 on various diametres d1, d2 there are two groups of holes 15, 16, one of which communicates cavity of centrifugal impeller 2 to cavity 11 upstream nozzle unit 9, and the other one - to cavity 12 downstream hydraulic turbine impeller 8.

EFFECT: improved cavitation properties of pump.

2 cl, 1 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 по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998. Известный шнекоцентробежный насос содержит корпус, установленное на валу центробежное колесо со ступицей и шнек. Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежное колесо. 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 according to the patent of the Russian Federation No. 2106534, IPC 6 F04D 13/04, publ. 03/10/1998. The known screw centrifugal pump comprises a housing, a centrifugal wheel with a hub and a screw mounted on a shaft. The screw improves the anti-cavitation properties of the pump, as It has better anti-cavitation properties than a centrifugal wheel. 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 high 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.

Задача создания изобретения - 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, установленное на валу центробежное рабочее колесо со ступицей и шнек, согласно изобретению шнек установлен на дополнительном валу с возможностью осевого перемещения и подпружинен в торец со стороны выхода насоса пружиной, установленной на дополнительном валу, внутри ступицы центробежного рабочего колеса 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, рабочее колесо гидротурбины соединено через редуктор с дополнительным валом, при этом в центробежном рабочем колесе на разных диаметрах выполнены две группы отверстий, одна из которых сообщает полость центробежного рабочего колеса с полостью перед сопловым аппаратом гидротурбины, а другая - с полостью за рабочим колесом гидротурбины. В одной группе отверстий или в обеих могут быть установлены жиклеры.The technical result is achieved due to the fact that in a screw centrifugal pump containing a housing mounted on a shaft a centrifugal impeller with a hub and a screw, according to the invention, the screw is mounted on an additional shaft with the possibility of axial movement and is spring-loaded in the end from the pump outlet side by a spring mounted on an additional the shaft, inside the hub of the centrifugal impeller, an internal cavity is made in which the nozzle apparatus and the turbine impeller are placed, so that a cavity is formed and in front of the nozzle apparatus of the turbine and behind the impeller of the turbine, the impeller of the turbine is connected via a gearbox to the additional shaft, while in the centrifugal impeller there are two groups of holes at different diameters, one of which communicates the cavity of the centrifugal impeller with a cavity in front of the nozzle of the turbine, and the other with a cavity behind the impeller of a hydraulic turbine. In one group of holes or in both, nozzles can be installed.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

Шнекоцентробежный насос содержит установленное на валу 1 центробежное рабочее колесо 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4. Шнек 5 установлен на дополнительном валу 6. Центробежное рабочее колесо 2 жестко связано с валом 1, например, посредством шпонки или шлицевого соединения. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т.е. вращения с различной частотой. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 7, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо 8 гидротурбины. Перед рабочим колесом 8 гидротурбины установлен сопловой аппарат 9 гидротурбины, который крепится внутри вала 1 во внутренней полости 10 и делит эти полости на две: полость 11 - перед сопловым аппаратом 9 гидротурбины и полость 12 - за рабочим колесом 8 гидротурбины. Полость 11 отверстиями 13, выполненными радиально в валу 1, сообщается с разгрузочной полостью 14, которая в свою очередь, посредством отверстий 15, выполненных в центробежном рабочем колесе 2, сообщается с полостью центробежного рабочего колеса 2.The screw centrifugal pump contains a centrifugal impeller 2 mounted on the shaft 1 with a hub 3. The shaft 1 is mounted on the bearing 4. The screw 5 is mounted on the additional shaft 6. The centrifugal impeller 2 is rigidly connected to the shaft 1, for example, by means of a key or splined connection. The additional shaft 6 is made inside the shaft 1 with the possibility of slipping, i.e. rotation with different frequencies. A sleeve 7 is mounted concentrically on the additional shaft 6, on which the impeller 8 of the turbine is mounted with the possibility of mutual slipping. A nozzle apparatus 9 of the turbine is mounted in front of the impeller 8 of the hydraulic turbine, which is mounted inside the shaft 1 in the inner cavity 10 and divides these cavities into two: cavity 11 — in front of the nozzle apparatus 9 of the turbine and cavity 12 — behind the impeller 8 of the turbine. The cavity 11 with holes 13 made radially in the shaft 1 communicates with the discharge cavity 14, which, in turn, through the holes 15 made in the centrifugal impeller 2, communicates with the cavity of the centrifugal impeller 2.

Полость 12 также сообщается при помощи групп отверстий 16, выполненных на диаметре d2, меньшем, чем диаметр d1 выполнения отверстий 15, с полостью центробежного рабочего колеса 2. В отверстиях 15 или 16, или одновременно, могут быть установлены жиклеры 17 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо 8 гидротурбины.The cavity 12 is also communicated using groups of holes 16, made on a diameter d2 smaller than the diameter d1 of the holes 15, with the cavity of the centrifugal impeller 2. In the holes 15 or 16, or at the same time, nozzles 17 can be installed for dosing the flow rate of the pumped product through the impeller 8 of the turbine.

Между дополнительным валом 6 и втулкой 7 выполнен редуктор 18. Дополнительный вал 6 подпружинен с торца пружиной 19.A gearbox 18 is made between the additional shaft 6 and the sleeve 7. The additional shaft 6 is spring-loaded from the end by a spring 19.

Подшипник 4 установлен в корпусе 20. К корпусу 20 подстыкован входной корпус 21 с входной полостью 22 и выходной корпус 23 с выходной полостью 24, между шнеком 5 и центробежным рабочим колесом 2 выполнена полость 25. На заднем торце ступицы 3 центробежного рабочего колеса 2 выполнено заднее уплотнение 26, отделяющее выходную полость 24 от разгрузочной полости 14. Разгрузочная полость 14 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и центробежным рабочим колесом 2 установлен упорный подшипник 27, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере, один радиальный подшипник 28. Между втулкой 7 и ступицей 3 центробежного рабочего колеса 2 установлен упорный подшипник 29.The bearing 4 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 docked to the housing 20, a cavity 25 is made between the screw 5 and the centrifugal impeller 2. The rear end of the hub 3 of the centrifugal impeller 2 has a rear a seal 26 separating the outlet cavity 24 from the discharge cavity 14. The discharge cavity 14 allows to reduce the axial force on the main bearing 4. A thrust bearing 27 is installed between the screw 5 and the centrifugal impeller 2, and between the impeller 2 lnym shaft 6, at least one radial bearing hub 28. Between the hub 3 and 7 of the centrifugal impeller 2 is mounted a thrust bearing 29.

При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и центробежное рабочее колесо 2, за счет поджатия пружиной 19, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим, давление перекачиваемого продукта в полости 25 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полости 25 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 14 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1 по двум причинам: вследствие ограниченной мощности гидротурбины и применения редуктора 18. Втулка 7 установлена, по меньшей мере, на одном радиальном подшипнике 30.When starting the pump, the screw 5 rotates at almost the same speed as the centrifugal impeller 2, due to the preload by the spring 19, 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 25 will be greater than is necessary due to the absence of cavitation at the inlet to the screw 5. The increased pressure in the cavity 25 will create axial force and move the additional screw 5 towards the pump inlet, This will compress the spring 14 and further movement of the screw 5 will stop, but the additional shaft 6 will rotate at a lower number of revolutions than the shaft 1 for two reasons: due to the limited power of the turbine and the use of the gearbox 18. V ulka 7 is at least one radial bearing 30.

При падении давления в полости 25 происходит обратный процесс, т.е. шнек 5 перемещается в сторону центробежного рабочего колеса 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.When the pressure drops in the cavity 25, the reverse process occurs, i.e. the screw 5 moves towards the centrifugal impeller 2, thereby the process of regulating the load 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 a screw speed of 5 of the order of 5000 ... 10000 rpm, i.e. limiting speed on the cavitation properties of the screw. In this case, 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:The application of the invention allows:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет значительного уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы и размещения пружин автомата управления нагрузкой шнека внутри стакана на валу.1. Significantly improve the cavitation properties of the pump due to a significant decrease in the screw rotation speed, application of the cantilever circuit and placement of the springs of the screw load control machine 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 большой мощности.3. Design a high power pump.

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. Улучшить смазку подшипников.7. Improve bearing lubrication.

8. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса.8. Relieve axial forces acting on the pump rotor.

Claims

1. A screw centrifugal pump comprising a housing, a centrifugal impeller with a hub mounted on a shaft and a screw, characterized in that the screw is mounted on an additional shaft with axial movement and is spring-loaded on the pump end face by a spring mounted on the additional shaft inside the centrifugal hub the impeller has an internal cavity in which the nozzle apparatus and the impeller of the hydraulic turbine are located so that cavities are formed in front of the nozzle apparatus of the hydraulic turbine and behind the working by the turbine’s forest, the turbine’s impeller is connected through a gearbox with an additional shaft, while in the centrifugal impeller two groups of holes are made at different diameters, one of which communicates the cavity of the centrifugal impeller with a cavity in front of the turbine nozzle apparatus, and the other with a cavity behind the impeller hydraulic turbines.

2. The screw centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the nozzles are installed in one group of holes or in both.