RU2472041C1

RU2472041C1 - Combined centrifugal gear pump

Info

Publication number: RU2472041C1
Application number: RU2011131735/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Голубов; Вадим Георгиевич Семенов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн")
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-01-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: pump includes gears, which are installed in housing wells and engaged. Roots of gear teeth include annular grooves with dividers of suction and discharge cavities, which are installed in them, and preswitched-on centrifugal impellers are fixed on the ends facing the inlet. On side walls of housing wells, on zones free from dividers, there made are spiral grooves with gradually increasing sections in the rotation direction of centrifugal impellers, which end with outlet channels interconnected with inlet of bypass valve. Valve outlet is connected to discharge cavity. Outlet sections of discharge channels are made in the form of straight-line diffusers. Bypass valve is equipped with opening pressure adjustment device.

EFFECT: invention allows balancing the joint operation of centrifugal and gear steps of combined centrifugal gear pump at operation at increased frequencies owing to bypassing some part of working fluid to discharge cavity, thus bypassing the gear step.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и касается насосов, применяемых в маслосистемах теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателей для подачи и откачки масла.The invention relates to mechanical engineering and relates to pumps used in oil systems of heat-stressed aircraft gas turbine engines for supplying and pumping oil.

Известен комбинированный центробежно-шестеренный насос (патент RU 2287087), содержащий установленные в колодцах корпуса и находящие в зацеплении шестерни, у которых у ножек зубьев выполнены кольцевые проточки с расположенными в них разделителями полостей всасывания и нагнетания, а на торцах, обращенных на вход, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки. Данный тип насоса представляет собой комбинацию лопастного центробежного насоса с шестеренным и может устойчиво работать без ограничений по частоте вращения, так как предвключенные центробежные крыльчатки создают дополнительный напор на входе в межзубовые впадины шестерен, обеспечивая их надежное заполнение рабочей жидкостью.Known combined centrifugal gear pump (patent RU 2287087), containing gears installed in the wells of the housing and engaged in gears, in which the tooth legs are made with circular grooves with separators for suction and discharge cavities located in them, and fixed at the ends facing the input are fixed upstream centrifugal impellers. This type of pump is a combination of a centrifugal impeller pump with a gear pump and can operate stably without speed limits, since the upstream centrifugal impellers create additional pressure at the entrance to the interdental cavities of the gears, ensuring their reliable filling with working fluid.

К недостаткам известного комбинированного насоса следует отнести низкий полный коэффициент полезного действия (КПД), который боле чем в два раза ниже полного КПД отдельно взятых центробежных и шестеренных насосов (центробежный или шестеренный насос имеют полный КПД порядка 0,7).The disadvantages of the known combined pump include a low total efficiency (Efficiency), which is more than two times lower than the full efficiency of individual centrifugal and gear pumps (a centrifugal or gear pump have a total efficiency of the order of 0.7).

Таким образом, большая часть мощности, потребляемая комбинированным насосом, расходуется непроизводительно и в конечном итоге приводит к дополнительному подогреву рабочей жидкости, протекающей через него.Thus, most of the power consumed by the combined pump is consumed unproductively and ultimately leads to additional heating of the working fluid flowing through it.

Следует обратить внимание и на то, что в теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) располагаемый хладоресурс для непрерывного охлаждения масла весьма ограничен (в качестве хладагента используется рабочее топливо, которое само может нагреваться от других источников, вплоть до 180°С), и, учитывая количество насосов в маслосистеме (может быть более десятка), упомянутый недостаток может привести к перегреву масла и выходу двигателя из строя.It should be noted that in heat-stressed aircraft gas turbine engines (GTE) the available refrigerant resource for continuous cooling of the oil is very limited (working fuel is used as a refrigerant, which itself can be heated from other sources, up to 180 ° C), and, considering the number of pumps in the oil system (maybe more than a dozen), the aforementioned drawback can lead to oil overheating and engine failure.

Этот недостаток объясняется трудностями в обеспечении сбалансированной совместной работы насосов разных типов и характеристик во всем диапазоне рабочих режимов комбинированного насоса, а также отсутствием в нем специальных устройств, позволяющих синхронизировать работу насосов между собой. При росте частоты вращения насоса возрастает напор, создаваемый центробежными крыльчатками, и в какой-то момент он превысит потребности шестеренной ступени комбинированного насоса. Дальнейший рост частоты вращения уже не влияет на степень заполнения межзубовых впадин жидкостью и приводит к увеличению давления на боковых стенках колодцев корпуса, которое может значительно превысить давление в полости нагнетания насоса. Особенно это характерно для откачивающих насосов системы смазки авиационных ГТД, у которых противодавление стараются снизить для повышения надежности откачки масла.This disadvantage is explained by difficulties in ensuring balanced joint operation of pumps of different types and characteristics in the entire range of operating modes of the combined pump, as well as the lack of special devices in it that allow synchronizing the operation of pumps among themselves. With increasing speed of the pump, the pressure created by the centrifugal impellers increases, and at some point it will exceed the needs of the gear stage of the combined pump. A further increase in the rotational speed no longer affects the degree of filling of the interdental cavities with liquid and leads to an increase in pressure on the side walls of the housing wells, which can significantly exceed the pressure in the pump discharge cavity. This is especially true for pumping pumps of the aircraft engine lubrication system, in which they try to reduce the back pressure to increase the reliability of oil pumping.

Увеличение давления на боковых стенках колодцев корпуса ведет к увеличению гидравлических потерь на трение, на удар и других потерь в межлопаточных каналах центробежных крыльчаток, оцениваемых гидравлическим КПД, что приводит к снижению полного КПД и к непроизводительным потерям мощности насоса.An increase in pressure on the side walls of the housing wells leads to an increase in hydraulic losses due to friction, impact, and other losses in the interscapular channels of centrifugal impellers, which are estimated by hydraulic efficiency, which leads to a decrease in the total efficiency and unproductive losses of pump power.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности работы комбинированного центробежно-шестеренного насоса за счет сокращения непроизводительных потерь мощности.The objective of the invention is to increase the efficiency of the combined centrifugal gear pump by reducing overhead power losses.

Указанная задача решается тем, что в комбинированном центробежно-шестеренном насосе, содержащем установленные в колодцах корпуса и находящиеся в зацеплении шестерни, у которых у ножек зубьев выполнены кольцевые проточки с установленными в них разделителями полостей всасывания и нагнетания, а на торцах, обращенных на вход, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки, согласно изобретению, на боковых стенках колодцев корпуса, в зонах свободных от разделителей, выполнены спиральные канавки с постепенно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток сечениями, заканчивающиеся отводящими каналами, сообщенными со входом перепускного клапана, выход из которого соединен с полостью нагнетания. Кроме того, выходные участки отводящих каналов выполнены в виде прямолинейных диффузоров; перепускной клапан снабжен устройством для регулировки давления открытия.This problem is solved by the fact that in a combined centrifugal-gear pump containing gears installed in the wells of the gear and meshed, in which the tooth legs are made with circular grooves with separators for the suction and discharge cavities installed in them, and at the ends facing the inlet fixed upstream centrifugal impellers, according to the invention, are fixed on the side walls of the housing wells, in areas free of dividers, spiral grooves are made with gradually increasing in the direction rotations of centrifugal impellers with sections ending in outlet channels communicated with the inlet of the bypass valve, the outlet of which is connected to the discharge cavity. In addition, the output sections of the outlet channels are made in the form of rectilinear diffusers; the bypass valve is equipped with a device for adjusting the opening pressure.

Выполнение на боковых стенках колодцев корпуса, в зонах свободных от разделителей, спиральных канавок, сообщающихся через перепускной клапан с полостью нагнетания, позволяет использовать избыточный напор центробежных крыльчаток в диапазоне высоких частот вращения комбинированного центробежно-шестеренного насоса для увеличения подачи рабочей жидкости, при этом сокращаются гидравлические потери на входе в шестеренную ступень, возрастает КПД, уменьшается нагрев масла и сокращаются непроизводительные потери мощности насоса. Таким образом, предвключенные центробежные крыльчатки помимо выполнения прежних своих функций - обеспечивать оптимальную степень наполнения межзубовых впадин рабочей жидкостью - получили новое свойство, позволившее повысить эффективность работы комбинированного центробежно-шестеренного насоса.The execution on the side walls of the housing wells, in zones free of dividers, of spiral grooves communicating through a bypass valve with a discharge cavity, allows the use of an excess pressure of centrifugal impellers in the high-speed range of a combined centrifugal gear pump to increase the flow of working fluid, while reducing hydraulic losses at the entrance to the gear stage, efficiency increases, oil heating decreases and unproductive losses of pump power are reduced. Thus, the upstream centrifugal impellers, in addition to performing their previous functions - to ensure the optimal degree of filling of the interdental cavities with the working fluid - have received a new property, which made it possible to increase the efficiency of the combined centrifugal gear pump.

Выполнение спиральных канавок с постоянно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток сечениями, а также выполнение выходных участков отводящих каналов в виде прямолинейных диффузоров позволяет более эффективно преобразовывать кинетическую энергию выходящего из центробежных крыльчаток потока рабочей жидкости в давление.The implementation of spiral grooves with cross sections constantly growing in the direction of rotation of the centrifugal impellers, as well as the execution of the outlet sections of the outlet channels in the form of rectilinear diffusers, makes it possible to more effectively convert the kinetic energy of the working fluid stream leaving the centrifugal impellers to pressure.

На фиг.1 показан продольный разрез насоса.Figure 1 shows a longitudinal section of a pump.

На фиг.2 - поперечный разрез А-А фиг.1.Figure 2 is a transverse section aa of figure 1.

На фиг.3 - разрез Б-Б фиг.2.Figure 3 is a section bB of figure 2.

Комбинированный центробежно-шестеренный насос содержит корпус 1, в колодцах (расточках) которого размещены находящиеся в зацеплении шестерни 2, у ножек которых выполнены кольцевые проточки 3. В кольцевых проточках 3 расположены разделители 4 полостей всасывания 5 и нагнетания 6, закрепленные неподвижно относительно корпуса 1. На торцах шестерен 2, обращенных на вход насоса, закреплены предвключенные центробежные крыльчатки 7 так, что их выходные сечения направлены точно внутрь кольцевых проточек 3. В боковых стенках колодцев корпуса 1, в зонах свободных от разделителей 4, выполнены спиральные канавки 8 с постепенно нарастающими по направлению вращения центробежных крыльчаток 7 сечениями, заканчивающиеся отводящими каналами 9, выходные участки которых выполнены в виде прямолинейных диффузоров 10, выведенные в полость 11, перед входом в перепускной клапан 12, поджатый пружиной 13 к седлу 14. Для настройки давления открытия клапана 12 служит регулировочный упор 15, при вращении которого происходит осевое перемещение гайки 16 и изменение затяжки пружины 13.The combined centrifugal gear pump contains a housing 1, in the wells (bores) of which gears 2 are located which are engaged, with annular grooves 3 made at the legs. In the annular grooves 3 there are separators 4 of the suction and discharge cavities 5 fixed 6 fixedly relative to the housing 1. At the ends of the gears 2 facing the pump inlet, upstream centrifugal impellers 7 are fixed so that their output sections are directed exactly inside the annular grooves 3. In the side walls of the wells of the housing 1, into the zone free from dividers 4, spiral grooves 8 are made with sections gradually growing in the direction of rotation of centrifugal impellers 7, ending with outlet channels 9, the outlet sections of which are made in the form of straight diffusers 10, brought into the cavity 11, before entering the bypass valve 12, preloaded by a spring 13 to the seat 14. To adjust the opening pressure of the valve 12 is the adjusting stop 15, the rotation of which is the axial movement of the nut 16 and the change in the tightening of the spring 13.

Перед началом работы насоса входные патрубки в корпусе 1 должны быть заполнены рабочей жидкостью (маслом), которая попадает в полость всасывания 5. Затем приводится во вращение через приводной вал одна из шестерен 2 (на чертеже нижняя шестерня), находящаяся с ней в зацеплении приходит во вращение и другая шестерня. Вместе с шестернями 2 начинают вращаться закрепленные на них предвключенные центробежные крыльчатки 7. В результате воздействия на жидкость лопастей крыльчаток 7 она выходит из межлопаточных каналов с более высоким давлением и скоростью, чем на входе, и сразу попадает в кольцевые проточки 3 у ножек зубьев шестерен 2, что обеспечивает высокую степень заполнения межзубовых впадин жидкостью и вместе с тем устойчивую работу шестеренной ступени (без пульсации давления, эмульсирования жидкости, гидравлических ударов и т.п.).Before starting the pump, the inlet nozzles in the housing 1 must be filled with a working fluid (oil), which enters the suction cavity 5. Then, one of the gears 2 (the lower gear in the drawing) engages with it comes into rotation through the drive shaft rotation and other gear. Together with gears 2, the upstream centrifugal impellers 7 mounted on them begin to rotate. As a result of the action of the impeller blades 7 on the liquid, it leaves the interscapular channels with a higher pressure and speed than at the inlet, and immediately enters the annular grooves 3 at the legs of the gear teeth 2 that provides a high degree of filling of the interdental cavities with liquid and at the same time stable operation of the gear stage (without pressure pulsation, fluid emulsion, water hammer, etc.).

При переходе насоса на повышенные режимы работы увеличивается частота вращения крыльчаток 7, а вместе с ней растет скорость и давление потока жидкости, выходящего из них. Кинетическая энергия выходящего из крыльчаток 7 потока жидкости частично преобразуется в спиральных канавках 8 в энергию давления. Поток жидкости с увеличившимся давлением из спиральных канавок 8 попадает в отводящие каналы 9, где по прохождении через прямолинейные диффузоры 10 окончательно происходит преобразование динамического напора в статический, а давление возрастает до величины, превышающей давление жидкости в полости нагнетания 6. При этом сила от давления, действующая на клапан 12 со стороны полости 11, превысит силу, действующую на перепускной клапан со стороны полости нагнетания, и клапан отойдет от седла 14, сжав пружину 13.When the pump switches to higher operating modes, the rotational speed of the impellers 7 increases, and with it the speed and pressure of the fluid flow emerging from them increases. The kinetic energy of the fluid flow emerging from the impellers 7 is partially converted in the spiral grooves 8 into pressure energy. The fluid flow with increased pressure from the spiral grooves 8 enters the discharge channels 9, where, after passing through the straight diffusers 10, the dynamic pressure is finally converted to static, and the pressure increases to a value exceeding the fluid pressure in the injection cavity 6. In this case, the force is from pressure, acting on the valve 12 from the side of the cavity 11 will exceed the force acting on the bypass valve from the side of the discharge cavity, and the valve will move away from the seat 14, compressing the spring 13.

Часть жидкости из спиральных канавок 8 через отводящие каналы 9 будет перетекать в полость нагнетания 6, минуя шестеренную ступень комбинированного насоса.Part of the liquid from the spiral grooves 8 through the discharge channels 9 will flow into the discharge cavity 6, bypassing the gear stage of the combined pump.

Подача насоса возрастет, а гидравлические потери на трение, на удар и другие потери в межлопаточных каналах крыльчаток 7 сократятся. Для изменения настройки давления открытия клапана 12 вращают регулировочный упор 15, при этом происходит осевое перемещение гайки 16 и изменение затяжки пружины 13.The pump flow will increase, and hydraulic losses due to friction, shock and other losses in the interscapular channels of the impellers 7 will be reduced. To change the setting of the opening pressure of the valve 12, the adjusting stop 15 is rotated, and the nut 16 is axially moved and the spring 13 is tightened.

Предложенное изобретение позволяет сбалансировать совместную работу центробежных и шестеренных ступеней комбинированного центробежно-шестеренного насоса при работе на повышенных частотах вращения.The proposed invention allows to balance the joint operation of the centrifugal and gear stages of a combined centrifugal gear pump when operating at high speeds.

Claims

1. A combined centrifugal gear pump containing gears installed in the wells of the housing and meshed, in which annular grooves with suction and discharge cavity dividers are installed at the tooth legs, and upstream centrifugal impellers are fixed at the ends facing the inlet, characterized in that on the side walls of the housing wells, in areas free of dividers, helical grooves are made with gradually increasing in the direction of rotation of the centrifugal impellers with circuits ending in the outlet channels communicated with the inlet of the bypass valve, the outlet of which is connected to the discharge cavity.

2. The combined centrifugal gear pump according to claim 1, characterized in that the output sections of the outlet channels are made in the form of straight diffusers.

3. The combined centrifugal gear pump according to claim 1, characterized in that the bypass valve is equipped with a device for adjusting the opening pressure.