RU2791265C2

RU2791265C2 - Sealed multi-stage centrifugal electric pump

Info

Publication number: RU2791265C2
Application number: RU2020136689A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Горбунов; Станислав Алексеевич Матвеев; Николай Алексеевич Тестоедов; Анатолий Васильевич Леканов; Владимир Григорьевич Порпылев
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (АО "ИСС")
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-03-07

Abstract

FIELD: pumps.

SUBSTANCE: sealed multi-stage centrifugal electric pump is intended for pumping the cooling agent in the circuit of a temperature control system. Electric pump is designed as follows: the working fluid enters the pump through the inlet branch pipe, then the pre-connected screw, then enters the blades of the closed-type centrifugal wheel, followed by the liquid passing through the channels of the annular diffuser, thereby cooling the stator of the electric engine, and entering the blades of the second centrifugal wheel, passing the looped guide apparatus, then being discharged from the electric pump through the outlet branch pipe.

EFFECT: increased operational life of the electric pump, as well as at a wide temperature range and reduced input pressure.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, в частности к насосам необъемного вытеснения с вращательным движением рабочих органов и может быть использовано для перекачивания различных жидкостей.The invention relates to pumping, in particular to non-displacement pumps with rotary movement of the working bodies and can be used for pumping various liquids.

Известен герметичный центробежный электронасос по авторскому свидетельству № SU 182519 А1 с устройством для уравновешивания осевого усилия при помощи двухсторонних радиальных зазоров между поясками из антифрикционного материала, вставленными в колесо корпус, и разгрузочных отверстий на втулочном диске колеса, отличающегося тем что, с целью повышения объемного к.п.д. насоса, он снабжен двумя дисками, установленными по обе стороны рабочего колеса параллельно ему.A sealed centrifugal electric pump is known according to author's certificate No. SU 182519 A1 with a device for balancing the axial force using bilateral radial gaps between the belts of antifriction material inserted into the wheel housing, and the discharge holes on the hub disk of the wheel, characterized in that, in order to increase the volumetric .p.d. pump, it is equipped with two discs mounted on both sides of the impeller parallel to it.

Недостатком конструкции данного электронасоса является то, что радиальные опоры не промываются потоком перекачиваемой жидкости, что негативно сказывается на ресурсе. Также электродвигатель в данной конструкции отводит тепло только посредством теплообмена с окружающей средой и теплообмена с зоной стоячей жидкости между ротором и статором.The disadvantage of the design of this electric pump is that the radial bearings are not washed by the flow of the pumped liquid, which negatively affects the resource. Also, the electric motor in this design removes heat only through heat exchange with the environment and heat exchange with the stagnant liquid zone between the rotor and the stator.

Известен герметичный центробежный электронасос по авторскому свидетельству № SU 1366702 А1, содержащий корпус, размещенное в нем на валу рабочее колесо, передний и задний подшипниковые узлы, крышку и устройство разгрузки от осевых усилий, включающее перегородку с осевыми каналами, и диск, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса насоса путем предотвращения вскипания жидкости в заднем подшипниковом узле, диск установлен на валу за задним подшипниковым узлом, а перегородка размещена между диском и крышкой.A sealed centrifugal electric pump is known according to author's certificate No. SU 1366702 A1, containing a housing, an impeller placed on the shaft, front and rear bearing assemblies, a cover and a device for unloading from axial forces, including a partition with axial channels, and a disk, characterized in that , in order to increase the life of the pump by preventing the liquid from boiling in the rear bearing assembly, the disc is mounted on the shaft behind the rear bearing assembly, and the partition is placed between the disc and the cover.

Недостатком данного электронасоса также является отсутствие прямого тока жидкости через заднюю подшипниковую опору. Конструктивно разгружающая опора выполнена в виде отдельного элемента, что снижает точность сборки конструкции и повышает виброактивность изделия. Также схема осевой разгрузки электронасоса не позволяет обеспечить равную жесткость в осевом направлении при изменении частоты вращения, что негативно сказывается на ресурсе в условиях работы с переменной частотой вращения. Отвод тепла также возможен только путем теплового обмена с непроточной жидкостью находящейся внутри корпуса электронасоса.The disadvantage of this electric pump is also the lack of a direct flow of liquid through the rear bearing support. Structurally, the unloading support is made as a separate element, which reduces the assembly accuracy of the structure and increases the vibration activity of the product. Also, the scheme of axial unloading of the electric pump does not provide equal rigidity in the axial direction when changing the speed, which negatively affects the resource in conditions of operation with a variable speed. Heat removal is also possible only by heat exchange with the stagnant liquid inside the electric pump casing.

Известен многоступенчатый центробежный электронасос по авторскому свидетельству № SU 1758289 А1, содержащий электродвигатель, корпусные элементы, по меньшей мере две ступени с рабочими колесами, расположенными с разных сторон электродвигателя, обращенные всасывающими частями от последнего и имеющие ведущие диски, образующие с корпусом задние пазухи, при этом между ведущим диском рабочего колеса ступени низкого давления и статорным элементом насоса образован зазор.A multi-stage centrifugal electric pump is known according to author's certificate No. SU 1758289 A1, containing an electric motor, housing elements, at least two stages with impellers located on different sides of the electric motor, facing the suction parts from the latter and having drive disks that form rear sinuses with the housing, with In this case, a gap is formed between the drive disk of the low-pressure impeller and the stator element of the pump.

Недостатками данного электронасоса является то, что использование замыкающего канала между группами симметрично расположенных центробежных колес, для их последовательного соединения вне корпуса насоса усложняет его конструкцию и ухудшает распределение температурных полей. Также конструкция данного электронасоса не обладает достаточным кавитационным запасом при увеличении частоты вращения ротора для использования с рабочими телами пониженной вязкости в широком температурном диапазоне.The disadvantages of this electric pump is that the use of a closing channel between groups of symmetrically located centrifugal wheels for their serial connection outside the pump housing complicates its design and worsens the distribution of temperature fields. Also, the design of this electric pump does not have a sufficient cavitation reserve with an increase in the rotor speed for use with working fluids of reduced viscosity in a wide temperature range.

Проведенный анализ патентных и научно-технических источников информации показал, что наиболее близким по технической сути является электронасосный агрегат (патент № US 3,022,739, дата подачи заявки 1957.07.24, дата публикации 1962.02.27). Агрегат содержит электродвигатель, корпусные элементы, радиально-упорные подшипниковые узлы, входную и выходную ступени с центробежными колесами, расположенными с разных сторон по оси электродвигателя и обращенными всасывающими частями от последнего, ступени сообщены между собой посредством каналов в корпусе статора электродвигателя; входной и выходной диффузоры, направляющий аппарат выходной ступени в корпусе электронасоса.The analysis of patent and scientific and technical sources of information showed that the closest in technical essence is an electric pump unit (patent No. US 3,022,739, application date 1957.07.24, publication date 1962.02.27). The unit contains an electric motor, housing elements, angular contact bearing assemblies, input and output stages with centrifugal wheels located on different sides along the axis of the electric motor and facing the suction parts from the latter, the stages are interconnected through channels in the stator housing of the electric motor; inlet and outlet diffusers, outlet stage guide vane in the electric pump housing.

Основным недостатком ближайшего аналога является использование сильно разгруженных подшипниковых узлов в конструкции при установке центробежных колес на значительном удалении от опорной поверхности, это влечет за собой снижение жесткости роторной системы, что может привести к возникновению резонансов в широком спектре частот.The main disadvantage of the closest analogue is the use of heavily unloaded bearing assemblies in the design when centrifugal wheels are installed at a considerable distance from the bearing surface, this entails a decrease in the rigidity of the rotor system, which can lead to resonances in a wide frequency range.

Сниженная жесткость роторной системы может приводить к повышенному уровню вибрации из-за пульсаций жидкости, которые обусловлены тем, что конструкция второй ступени предполагает радиальный отвод жидкости от колеса. Это создает повышенную нагрузку на подшипники и повышает уровень вибраций.The reduced rigidity of the rotor system can lead to increased vibration levels due to fluid pulsations, which are due to the fact that the design of the second stage assumes a radial removal of fluid from the wheel. This creates an increased load on the bearings and increases the level of vibration.

Также конструкция данного агрегата не обладает достаточным кавитационным запасом при увеличении частоты вращения ротора для использования с рабочими телами пониженной вязкости в широком температурном диапазоне.Also, the design of this unit does not have a sufficient cavitation reserve with an increase in the rotor speed for use with working fluids of reduced viscosity in a wide temperature range.

Целью данного изобретения является увеличение ресурса электронасоса, работающего в широком диапазоне температур и в условиях пониженного давления в контуре рециркуляции жидкости.The purpose of this invention is to increase the service life of an electric pump operating in a wide range of temperatures and under conditions of reduced pressure in the liquid recirculation circuit.

Герметичный многоступенчатый центробежный электронасос, содержащий электродвигатель, корпусные элементы, радиально-упорные подшипниковые узлы, входную и выходную ступени с центробежными колесами, расположенными с разных сторон по оси электродвигателя и обращенными всасывающими частями от последнего, ступени сообщены между собой посредством каналов в корпусе статора электродвигателя; направляющий аппарат выходной ступени в корпусе электронасоса, отличающийся тем, что направляющий аппарат имеет выход по оси насоса, осевые поверхности радиально-упорных подшипниковых узлов образуют с центробежными колесами узлы осевой разгрузки, а перед всасывающей частью центробежного колеса первой ступени по ходу движения жидкости установлен предвключенный шнек.Sealed multi-stage centrifugal electric pump containing an electric motor, housing elements, angular contact bearing assemblies, input and output stages with centrifugal wheels located on different sides along the axis of the electric motor and facing the suction parts from the latter, the stages are interconnected through channels in the stator housing of the electric motor; output stage guide vane in the electric pump housing, characterized in that the guide vane has an outlet along the pump axis, the axial surfaces of the angular contact bearing assemblies form axial unloading units with the centrifugal wheels, and a pre-actuated screw is installed in front of the suction part of the first stage centrifugal wheel in the direction of the liquid .

Техническим результатом является увеличение ресурса работы, в том числе при широком диапазоне температур и пониженном входном давлении.The technical result is an increase in the service life, including at a wide temperature range and reduced inlet pressure.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и фиг. 2.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1 and FIG. 2.

На фиг. 1 изображен общий вид герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса и два разреза.In FIG. 1 shows a general view of a sealed multi-stage centrifugal electric pump and two sections.

На фиг. 2 показан изометрический вид с разрезом, демонстрирующим движение жидкости.In FIG. 2 is an isometric sectional view showing fluid movement.

Многоступенчатый центробежный электронасос содержит (см. фиг. 1): предвключенный шнек поз. 1, центробежное колесо первой ступени закрытого типа поз. 2, центробежное колесо второй ступени закрытого типа поз. 3, ротор с постоянными магнитами поз. 4, статор электродвигателя поз. 5, входной диффузор поз. 6, корпус поз. 7 с каналами поз. 8, направляющий аппарат выходной ступени поз. 9 с входными отверстиями поз. 10 и выходными поз. 11, выходной диффузор поз. 12, радиально-упорные подшипниковые узлы поз. 13.Multistage centrifugal electric pump contains (see Fig. 1): upstream auger pos. 1, centrifugal wheel of the first stage of the closed type pos. 2, centrifugal wheel of the second stage of the closed type pos. 3, rotor with permanent magnets pos. 4, motor stator pos. 5, inlet diffuser pos. 6, body pos. 7 with channels pos. 8, guide vane of the output stage pos. 9 with inlets pos. 10 and weekend pos. 11, outlet diffuser pos. 12, angular contact bearing units pos. 13.

Использование направляющего аппарата 9, отличительной особенностью которого является то, что выходные отверстия поз. 11 равномерно распределены по окружности направляющего аппарата и направлены по оси насоса (фиг. 1), позволяет сократить массогабаритные параметры электронасоса и снизить значение радиальной нагрузки на ротор, что позволит снизить вибрационную активность и увеличить ресурс работы электронасоса.The use of the guide apparatus 9, the distinguishing feature of which is that the outlet holes pos. 11 are evenly distributed around the circumference of the guide vane and directed along the axis of the pump (Fig. 1), which makes it possible to reduce the weight and size parameters of the electric pump and reduce the value of the radial load on the rotor, which will reduce vibration activity and increase the service life of the electric pump.

Использование радиально-упорных подшипниковых узлов поз. 13, осевая поверхность которых конструктивно совмещена с центробежными колесами поз. 2 и поз. 3, образуя узел осевой разгрузки, позволяет повысить жесткость роторной системы электронасоса и обеспечить возможность ее регулирования для снижения виброактивности, что в свою очередь повышает ресурс электронасоса.The use of angular contact bearing units pos. 13, the axial surface of which is structurally aligned with the centrifugal wheels pos. 2 and pos. 3, forming an axial unloading unit, makes it possible to increase the rigidity of the rotor system of the electric pump and provide the possibility of its regulation to reduce vibration activity, which in turn increases the service life of the electric pump.

Добавление в конструкцию предвключенного шнека поз. 1 позволяет существенно увеличить кавитационный запас в работе электронасоса при пониженных входных давлениях.Adding to the design of the upstream auger pos. 1 allows you to significantly increase the cavitation reserve in the operation of the electric pump at low inlet pressures.

Герметичный многоступенчатый центробежный электронасос работает следующим образом (см. фиг. 2): рабочее тело попадает в насос через входной диффузор поз. 6, затем попадает на предвключенный шнек поз. 1, после чего поступает на лопатки центробежного колеса первой ступени закрытого типа поз. 2, далее жидкость проходит через N каналов поз. 8 в корпусе поз. 7, где жидкость равномерно распределяется и охлаждает статор электродвигателя поз. 4, проходит через входные отверстия поз. 10 направляющего аппарата поз. 9 (ток жидкости показан на фиг. 2), и попадает на лопатки центробежного колеса второй ступени поз. 3, далее через выходные отверстия поз. 11 направляющего аппарата поз. 9 уходит из электронасоса через выходной диффузор поз. 12. При этом часть жидкости совершает рециркуляцию между областью за крыльчаткой второй ступени и областью за крыльчаткой первой ступени посредством каналов в направляющем аппарате, позволяющим осуществлять проточное движение жидкости в области износа подшипниковых узлов поз. 13.Hermetically sealed multistage centrifugal electric pump operates as follows (see Fig. 2): the working fluid enters the pump through the inlet diffuser pos. 6, then falls on the upstream screw pos. 1, after which it enters the blades of the centrifugal wheel of the first stage of the closed type pos. 2, then the liquid passes through N channels pos. 8 in the body pos. 7, where the liquid is evenly distributed and cools the motor stator pos. 4 passes through the inlets pos. 10 guide apparatus pos. 9 (fluid flow is shown in Fig. 2), and falls on the blades of the centrifugal wheel of the second stage pos. 3, then through the outlet holes pos. 11 guide apparatus pos. 9 leaves the electric pump through the outlet diffuser pos. 12. At the same time, part of the liquid recirculates between the area behind the second stage impeller and the area behind the first stage impeller through channels in the guide vane, allowing fluid flow in the wear area of the bearing assemblies pos. 13.

Поток жидкости при движении через выходные отверстия поз. 11 направляющего аппарата поз. 9 распределяется равномерно по всей окружности, что приводит к снижению пульсаций на выходе центробежного колеса второй ступени поз. 3, это в свою очередь - к снижению радиальной динамической нагрузки и вибрации и в итоге приводит к увеличению ресурса электронасоса.The flow of fluid when moving through the outlet holes pos. 11 guide apparatus pos. 9 is distributed evenly over the entire circumference, which leads to a decrease in pulsations at the outlet of the centrifugal wheel of the second stage pos. 3, this, in turn, leads to a decrease in the radial dynamic load and vibration and, as a result, leads to an increase in the service life of the electric pump.

Узлы осевой разгрузки, образованные осевыми поверхностями радиально-упорных подшипниковых узлов поз. 13 и осевых поверхностей центробежных колес поз. 2 и поз. 3, в процессе работы электронасоса уравновешивают осевые динамические нагрузки. Объединение осевых поверхностей указанных составных частей существенно повышает жесткость конструкции, что снижает вероятность возникновения резонансов в широком спектре частот, уменьшает уровень вибрации и в итоге - к увеличению ресурса.Axial unloading units formed by the axial surfaces of the angular contact bearing units pos. 13 and axial surfaces of centrifugal wheels pos. 2 and pos. 3, during the operation of the electric pump, axial dynamic loads are balanced. Combining the axial surfaces of these components significantly increases the rigidity of the structure, which reduces the likelihood of resonances in a wide frequency range, reduces the level of vibration and, as a result, to increase the resource.

Предвключенный шнек поз. 1, формирует для центробежного колеса первой ступени поз. 2 равномерный поток жидкости с повышенным давлением. Это повышает кавитационный запас при работе с пониженным входным давлением, уменьшает пульсации жидкости и уровень вибрации, увеличивая ресурс электродвигателя.Upstream auger pos. 1, forms for the centrifugal wheel of the first stage pos. 2 uniform fluid flow with increased pressure. This increases the NPSH when operating with reduced inlet pressure, reduces fluid pulsations and vibration levels, increasing the life of the electric motor.

Данное изобретение может быть использовано при создании систем терморегулирования космических аппаратов и элементов систем наземной эксплуатации, где требуется надежное обеспечение непрерывного напора рабочей жидкости при длительной эксплуатации и сниженной виброактивности.This invention can be used in the creation of thermal control systems for spacecraft and elements of ground operation systems, where reliable provision of a continuous pressure of the working fluid during long-term operation and reduced vibration activity is required.

Таким образом, заявляемое изобретение позволило получить технический результат, а именно увеличен ресурс работы герметичного многоступенчатого центробежного электронасоса, в том числе при широком диапазоне температур и пониженном входном давлении.Thus, the claimed invention made it possible to obtain a technical result, namely, an increased service life of a sealed multi-stage centrifugal electric pump, including at a wide temperature range and reduced inlet pressure.

Claims

Sealed multistage centrifugal electric pump containing an electric motor, housing elements, angular contact bearing assemblies, input and output stages with centrifugal wheels located on different sides along the axis of the electric motor and facing the suction parts from the latter, while the stages are interconnected through channels in the stator housing electric motor; output stage guide vane in the electric pump housing, characterized in that the guide vane has an outlet along the pump axis, the axial surfaces of the angular contact bearing assemblies form axial unloading units with the centrifugal wheels, and a pre-actuated screw is installed in front of the suction part of the first stage centrifugal wheel in the direction of the liquid .