RU2412376C1

RU2412376C1 - Screw centrifugal pump

Info

Publication number: RU2412376C1
Application number: RU2009136115/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: screw centrifugal pump comprises vessels 5, 21, 23, 35, centrifugal impeller 2 with hub 3, installed on shaft 1, which is installed on bearing 4, protected with seal 36, and screw 10. Inside hub 3 there are intermediate and inner shafts 6, 8 installed. At the end of shaft 8 at the side of pump inlet there is the first screw 10 installed and fixed on shaft 8 with front conical nut 11. At the end of shaft 6 at the side of pump inlet there is the second screw 15, at the opposite end of shaft 6 there is an impeller 12 of hydraulic turbine 13. Inside hub 3 there is reducer 17 installed, connecting shafts 6, 8. In hub 3 there are through holes 28, connecting wheel cavity 2 with cavity in hub 3. At the back end of wheel 2 there is the back seal 26, under which there is an unloading cavity 27. Shaft 1 is arranged as hollow, comprising middle and back cavities 29, 30, between which there is an intermediate bearing 20. In shaft 1 between bearing 4 and seal 36 there are radial holes 37, coming out into back cavity 30. Screws 10, 15 may be arranged with the possibility of rotation in opposite directions.

EFFECT: improved cavitation properties of pump.

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 по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998. Известный шнекоцентробежный насос содержит корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен на подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежное колесо. 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 according to the patent of the Russian Federation No. 2106534, IPC 6 F04D 13/04, publ. 03/10/1998. Known screw centrifugal pump contains a housing, a centrifugal impeller with a hub mounted on a shaft that is mounted on a bearing protected by a seal, and a screw. The screw improves the cavitation properties of the pump, as It has better cavitation properties than a centrifugal wheel. 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.

Задача изобретения - улучшение кавитационных свойств насоса.The objective of the invention is to improve the cavitation properties of the pump.

Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен на подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы установлены промежуточный и внутренний валы, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, который закреплен на этом валу передней конической гайкой, на конце промежуточного вала со стороны входа в насос установлен второй шнек, на противоположном конце промежуточного вала закреплено рабочее колесо гидротурбины, внутри ступицы установлен редуктор, соединяющий внутренний и промежуточный валы, 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 среднюю и заднюю полости, между которыми установлен промежуточный подшипник, в валу между подшипником и уплотнением выполнены радиальные отверстия, выходящие в заднюю полость. Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.The technical result is 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 on a bearing protected by a seal, and an auger according to the invention, intermediate and internal shafts are installed inside the hub, at the end of the inner shaft the first screw is installed on the pump inlet side, which is mounted on this shaft with a front conical nut, the second screw is installed on the end of the intermediate shaft on the pump inlet side, on the opposite side a turbine impeller is fixed at the end of the intermediate shaft, a gearbox is installed inside the hub connecting the internal and intermediate shafts, through holes are made in the hub connecting the cavity of the centrifugal impeller with a cavity in the hub, a rear seal is made at the rear end of the centrifugal impeller, under which the discharge cavity is made , the shaft is made hollow, containing the middle and rear cavities, between which an intermediate bearing is installed, in the shaft between the bearing and the seal Radial holes extending into the posterior cavity are provided. 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 - разрез А-А на фиг.1.- figure 2 is a 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, по меньшей мере, на одном промежуточном подшипнике 7. Внутри промежуточного вала 6 установлен внутренний вал 8, который установлен внутри вала 7 на подшипниках 9. С одной стороны (со стороны входа в центробежное колесо 2) на внутреннем валу 8 установлен первый шнек 10, который закреплен на этом валу при помощи передней конической гайки 11. На конце промежуточного вала 6 со стороны входа в насос установлен второй шнек 15. На противоположном конце промежуточного вала 6 закреплены рабочее колесо 12 гидротурбины 13 и ведомая шестерня 16 редуктора 17. Внутри ступицы 3 в выполненной в ней передней полости 18 установлен редуктор 17, соединяющий внутренний и промежуточный валы 8, 6. Рядом с рабочим колесом 12 гидротурбины 13 внутри вала 1 установлен сопловой аппарат 14 гидротурбины 13. В качестве подшипников 7 и 9 могут быть применены подшипники скольжения, магнитные подшипники или игольчатые подшипники. Для восприятия осевых нагрузок на валы 6 и 8 служат контактные кольца 19, установленные на их торцах, и промежуточный подшипник 20, установленный внутри вала 1.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. Shaft 1 is mounted on a bearing 4 in the housing 5. An intermediate shaft 6 extends inside the hub 3 and is installed inside it on at least one intermediate bearing 7. An internal shaft is installed inside the intermediate shaft 6 8, which is mounted inside the shaft 7 on bearings 9. On the one hand (from the entrance to the centrifugal wheel 2), a first screw 10 is installed on the inner shaft 8, which is fixed to this shaft with a front conical nut 11. At the end of the intermediate shaft 6, the parties a second screw 15 is installed in the pump stroke. At the opposite end of the countershaft 6, the impeller 12 of the hydraulic turbine 13 and the driven gear 16 of the gearbox 17 are fixed. Near the impeller 12 of the hydraulic turbine 13, a nozzle apparatus 14 of the hydraulic turbine 13 is installed inside the shaft 1. As bearings 7 and 9, sliding bearings, magnetic bearings or needle bearings can be used. For the perception of axial loads on the shafts 6 and 8 are the contact rings 19 mounted on their ends, and the intermediate bearing 20 mounted inside the shaft 1.

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 18. Внутри вала 1 выполнены три полости: передняя 18, средняя 29 и задняя 30. Полости 18 и 29 разделены гидротурбиной 14, а между полостями 29 и 30 установлен промежуточный подшипник 20. Средняя полость 29 выполнена цилиндрической, т.е. с цилиндрической стенкой, на которой закреплен сопловой аппарат 14 гидротурбины 13.The input housing 21 having a cavity 22 and the output housing 23 having a cavity 24 are connected to the housing 5. A front seal 25 is made between the housing 5 and the centrifugal impeller 2. A rear seal 26 is made on the side of the rear end of the centrifugal wheel 2 on its hub 3 and unloading cavity 27. In the hub 3 of the centrifugal wheel 2, holes 28 are made that extend into the front cavity 18. Inside the shaft 1 there are three cavities: front 18, middle 29 and rear 30. The cavities 18 and 29 are separated by a hydraulic turbine 14, and between the cavities 29 and 30 installed intermediate bearing 20. The average cavity 29 is cylindrical, i.e. with a cylindrical wall on which the nozzle apparatus 14 of the turbine 13 is fixed.

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 10 и 15 выполнена полость 34. Подшипник 1 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. In this case, the inlet housing 21 must be made cylindrical, this will reduce the flow of the pumped product due to the pressure difference at the inlet and outlet 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 10 and 15. The bearing 1 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 24 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 промежуточный подшипник 20 - в среднюю полость 29, потом через сопловой аппарат 14 гидротурбины 13, рабочее колесо 12 гидротурбины 13, переднюю полость 18, отверстия 28 - в полость центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 8 с первым шнеком 10 раскручивается через редуктор 17 от промежуточного вала 6 со вторым шнеком 15 и колесом 12 гидротурбины 13. Шнеки 10 и 15 значительно повышают давление на входе в крыльчатку 2, тем самым предотвращая кавитацию на ее входе. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 10 и 15 кавитация на их входных кромках также исключается. Первый шнек 10 повышает давление между шнеками 10 и 12, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе во второй шнек 15. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входах в шнеки 10 и 15 и на вход в центробежное рабочее колесо 2 отсутствует. С учетом того, что первый шнек 10 вращается в 3…5 раз медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, на его входе кавитация исключена. Второй шнек 15 вращается еще в 2…3 раза медленнее, что также благоприятно сказывается на кавитационных качествах насоса в целом. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 26, используются для смазки подшипника 4, промежуточного подшипника 20 и для привода гидротурбины 13, 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 внутрь центробежного рабочее колеса 2, после ее входа, 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.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 24, 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 intermediate bearing 20 into the middle cavity 29, then through the nozzle the apparatus 14 of the turbine 13, the impeller 12 of the turbine 13, the front cavity 18, the openings 28 to the cavity of the centrifugal impeller 2. The inner shaft 8 with the first screw 10 is untwisted through the gearbox 17 from the intermediate shaft 6 with the second screw 15 and the wheel 12 of the turbine 13. Screws 10 and 15 mean They increase the pressure at the inlet to the impeller 2, thereby preventing cavitation at its inlet. Due to the reduced speed of the screws 10 and 15 themselves, cavitation at their input edges is also excluded. The first screw 10 increases the pressure between the screws 10 and 12, creating favorable conditions from the point of view of preventing cavitation at the entrance to the second screw 15. There is no bypass of the heated pumped product at the inlets of the screws 10 and 15 and at the entrance to the centrifugal impeller 2. Given that the first screw 10 rotates 3 ... 5 times slower than the centrifugal impeller 2, cavitation is excluded at its input. The second screw 15 rotates another 2 ... 3 times slower, which also favorably affects the cavitation qualities of the pump as a whole. Leaks of the pumped product that passed through the rear seal 26 are used to lubricate the bearing 4, the intermediate bearing 20, and to drive the turbine 13, 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 inside the centrifugal impeller 2, after its entry, 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.

Применение изобретения позволяет:The application of the invention allows:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков, разной скорости вращения шнеков, применения редуктора, снижающего скорость вращения для привода первого шнека, и применения консольной схемы насоса.1. Significantly improve the cavitation properties of the pump through the use of two augers, reducing the rotational speeds of the augers, different rotational speeds of the augers, using a gearbox that reduces the rotational speed for driving the first auger, and using a cantilever pump circuit.

2. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.2. Design a pump of very high power by increasing the speed of the centrifugal impeller of the pump to the maximum permissible strength.

3. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.3. To prevent disruption of the flow of the pumped component in the pump due to cavitation at its inlet.

4. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.4. Create a pump with minimum weight and dimensions with high pressure and performance.

5. Полностью использовать утечки перекачиваемого продукта для смазки двух подшипников и привода гидротурбины и смазки редуктора и полностью предотвратить утечки перекачиваемого продукта в дренаж, повысив его объемный КПД реально до 100%, исключив даже минимальные утечки перекачиваемого продукта.5. Fully use the leaks of the pumped product to lubricate the two bearings and drive the hydraulic turbine and lubricate the gearbox 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.

6. 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.6. To increase the efficiency of the pump by preventing product leaks into the drainage and their use for driving 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 on a bearing protected by a seal, and a screw, characterized in that intermediate and internal shafts are installed inside the hub, at the end of the inner shaft from the pump inlet side a first screw is installed, which is fixed on this shaft with a front conical nut, a second screw is installed on the end of the intermediate shaft from the pump inlet side, an impeller is fixed on the opposite end of the intermediate shaft hydraulic turbines, a gearbox is installed inside the hub connecting the internal and intermediate shafts, through holes are made in the hub connecting the cavity of the centrifugal impeller with a cavity in the hub, a rear seal is made at the rear end of the centrifugal impeller, under which the discharge cavity is made, the shaft is made hollow, containing the middle and rear cavities, between which the intermediate bearing is installed, in the shaft between the bearing and the seal, radial holes are made that extend into the rear cavity.

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