Патент на изобретение №2300021

(54) КОМПАКТНЫЙ ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к гидромашиностроению, касается усовершенствования турбонасосных агрегатов и может быть использовано в судостроении, ракетной технике, авиационной, химической и других отраслях, где предъявляются высокие требования по надежности, кавитационным качествам, вибрации при минимальной массе конструкции. Турбонасос содержит подшипники скольжения, смазываемые перекачиваемой жидкостью, осевихревую ступень с конической втулкой шнека и дополнительными каналами с дросселями, соединяющими напорную и входную часть. Для уменьшения габаритов и повышения надежности совмещены гидропята и задний подшипник. Снижение пульсаций достигается путем разделения протечек жидкости и газовой фазы и их отводом по отдельным трубопроводам. Для уменьшения осевой силы на нерасчетных режимах в диске турбины выполнены разгрузочные отверстия. Изобретение направлено на повышение надежности и устойчивости работы турбонасосного агрегата в широком диапазоне изменения расхода перекачиваемой жидкости, улучшение кавитационных качеств, уменьшение веса и габаритов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению, касается усовершенствования турбонасосных агрегатов и может быть использовано в судостроении, ракетной технике, авиационной, химической, вакуумной и других отраслях, где применяются центробежные насосы, к которым предъявляются высокие требования по надежности, кавитационным качествам, вибрации, при этом их масса и габариты должны быть минимальны.

Известны турбонасосные агрегаты с подшипниками качения, работающие на перекачиваемой жидкости, имеющие для улучшения кавитационных качеств на входе шнек (см., например, Турбонасосный агрегат ПТ-15-60у, «Высокооборотные лопаточные насосы. Под ред. Б.В.Овсянникова и В.Ф.Чебаевского»). Эта конструкция имеет подшипники качения, что снижает ресурс турбонасоса. Кроме этого на пусковых режимах суммарная осевая сила может значительно превосходить осевую силу на расчетных режимах работы, а это может привести к выходу подшипников из строя.

На режимах турбонасоса с подачей, меньшей расчетной, на входе в шнек возникают обратные токи жидкости, вызывающие интенсивные пульсации давления в проточной части, а это дополнительно может привести к снижению надежности насоса.

Для повышения надежности в конструкциях насосов применяют упорные подшипники скольжения с плавающими кольцами, а корпус выполнен с внутренними цилиндрическими выступами (см., например, Авторское свидетельство SU 1244405, F16С 17/04); устройства с самоустанавливающимися подушками (см., например, патент RU 2020307, F16С 17/04); а также центробежные насосы с валом, снабженным упорами, между которыми установлен подшипник с подводом охлаждающей и смазывающей среды и втулками, имеющими винтовые канавки (см., например, Авторское свидетельство СССР №715824, F04D 1/00).

Однако такие технические решения не обеспечивают надежную работу насоса на режимах, значительно отличающихся от номинального вследствие появления дополнительной осевой силы, и они сложны по конструктивному исполнению.

Для улучшения кавитационных качеств и уменьшения пульсаций давления в центробежных насосах применяется предвключенная осевихревая ступень, имеющая шнек с цилиндрической втулкой и неподвижной винтовой решеткой на его периферии (см., например, Патент Российской Федерации №2014509).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является турбонасосный агрегат, содержащий корпус и ротор, установленный на подшипниковых опорах с ограничительными упорами, закрепленными на корпусе. Подшипниковые опоры выполнены в виде сдвоенных подшипников, между наружными кольцами которых установлена пружина (см., например, Турбонасосный агрегат, патент Российской Федерации №2083881, F04D 13/02).

Недостатком приведенного устройства является сложность и большие габариты конструкции, а также недостаточная надежность вследствие применения подшипников качения, работающих на перекачиваемой жидкости.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и устойчивости работы в широком диапазоне режимов работы по подаче, улучшение кавитационных качеств, уменьшение веса и габаритов.

Технический результат достигается тем, что в компактном турбонасосном агрегате, содержащем корпус и ротор с осевихревой ступенью, состоящей из шнека и неподвижной решетки, с центробежным колесом и турбиной, установленный на радиальные подшипники скольжения, имеющий рабочую и пусковую гидропяту, размещенные на центробежном колесе, согласно изобретению осевихревая ступень имеет шнек с конической втулкой с меньшим диаметром на входе и большим на выходе и специальную кольцевую камеру на входе в винтовую неподвижную решетку, а также сверления и дроссели, соединяющие каналы винтовой неподвижной решетки с зоной нагнетания осевихревой ступени, рабочая жидкость на задний подшипник поступает из камеры гидропяты через специальные отверстия, а камера гидропяты соединена через торцевую щель и отверстия в диске колеса со всасывающей частью.

Технический результат по повышению надежности достигается установкой переднего и заднего опорных подшипников скольжения, с подачей рабочей жидкости в передний подшипник из зон нагнетания предвключенной ступени и в задний подшипник из камеры гидропяты, совмещенной с последним. Снижение пульсаций достигается применением раздельно размещенных уплотнений для жидкости, газа и газожидкостной смеси. Уплотнение, установленное между диском турбины и корпусом, и выполнение разгрузочных отверстий в диске турбины снижают осевую силу и также повышают надежность.

Технический результат по улучшению кавитационных качеств достигается применением в осевихревой ступени шнека с конической втулкой с меньшим диаметром на входе и большим на выходе и специальной кольцевой камеры на входе в винтовую неподвижную решетку. Подача жидкости в кольцевую камеру осуществляется с помощью сверлений и дросселей, соединяющих каналы винтовой неподвижной решетки с зоной нагнетания осевихревой ступени.

Для исключения попадания газовой фазы в жидкость, поступающей на задний подшипник, а также жидкости на лопатки турбинного колеса, между подшипником и турбиной установлены винтовые уплотнения с разделительной камерой, с отводом из нее газожидкостной смеси.

Кавитационные качества и устойчивость работы на срывной ветви кавитационной характеристики повышаются при помощи осевихревой ступени, имеющей коническую втулку шнека с большей проходной площадью на входе и подачей жидкости из зоны нагнетания предвключенной ступени в начальную зону винтовой решетки, а также выполнением кольцевой камеры над входным участком шнека.

Для снижения габаритов в турбонасосе применены подшипники скольжения, с подачей рабочей жидкости из зоны высокого давления и совместного размещения заднего подшипника и гидропяты, причем рабочая жидкость на подшипник подается из камеры гидропяты через дроссель.

Предлагаемое изобретение характеризуется новыми существенными признаками:

– осевихревая ступень выполнена с большим проходным сечением на входе, чем на выходе, и имеет на входе в неподвижную решетку специальную кольцевую камеру и отверстия с установленными дросселями в корпусе для подвода воды из зоны более высокого давления в каналы винтовой неподвижной решетки;

– подвод жидкости на подшипники осуществляется через отверстия в корпусе и дроссели, причем опорный подшипник совмещен с гидропятой;

– между задним опорным подшипником и турбиной выполнена разделительная камера, из которой осуществляется отвод газожидкостной смеси в зону меньшего давления, например на вход насоса;

– в диске турбины выполнены разгрузочные отверстия и уплотнение.

Совокупность новых признаков турбонасосного агрегата позволяет качественно улучшить его массогабаритные характеристики и повысить надежность.

Применение новой конструкции гидропяты и осевихревой ступени с подводом воды в неподвижную решетку турбонасосного агрегата позволит расширить диапазон надежной работы турбонасоса, включая пусковые режимы.

На чертеже изображен продольный разрез компактного турбонасосного агрегата.

Компактный турбонасосный агрегат содержит корпус 1 с размещенным в нем ротором 2, имеющим шнек 3 с большим проходным сечением на входе, чем на выходе, центробежное колесо 4 с разгрузочными отверстиями 5 и турбину 6 с уплотнением 7, с диском, имеющим разгрузочные отверстия 8. Ротор установлен в радиальных опорах: переднем 9 и заднем 10 подшипниках скольжения. На передний подшипник, закрепленный на ребрах, рабочая жидкость поступает из зоны давления нагнетания осевихревой ступени через отверстия 11 и отверстия 12. Для ограничения осевого перемещения ротора в насосе предусмотрена пусковая пята 13, закрепленная на корпусе, образующая зазор с подпятником 14 на покрывном диске центробежного колеса и рабочая пята 15, имеющая зазор с подпятником рабочим 16 на основном диске центробежного колеса. Жидкость поступает на задний подшипник через радиальную дросселирующую щель 17, далее в камеру гидропяты 18 и через отверстия 19 поступает на задний подшипник и далее в сливные камеры 20 и 21, соединенные между собой отверстиями 22. В корпусе, между задним подшипником и турбиной установлено уплотнение для жидкости 23, газа 24, 25, между которыми расположены камеры разделительные 26, из которых через трубы 27 и 28 отводится жидкость, газ или газожидкостная смесь. Для улучшения кавитационных качеств на периферии входного участка шнека перед неподвижной винтовой решеткой 29 размещена специальная кольцевая камера 30, а в корпусе выполнены отверстия 31, на выходе из которых установлены дроссели 32, через которые жидкость из зоны нагнетания осевихревой ступени 33 подводится в каналы неподвижной решетки в начальной или средней ее части.

Применение подшипников скольжения, смазываемых перекачиваемой жидкостью, и компактная конструкция гидропяты позволяют существенно снизить вес и габариты.

Турбонасос работает следующим образом.

Жидкость поступает на шнек 3 осевихревой ступени через всасывающий патрубок корпуса 1, в котором расположены радиальные ребра, служащие для крепления переднего подшипника 9. Далее жидкость поступает в центробежное колесо 4, приобретает энергию и через патрубок нагнетания отводится на потребители. Приводом агрегата является турбина 6, размещенная на роторе 2, установленном в переднем 9 и заднем 10 подшипниках. Передний подшипник 9 смазывается рабочей жидкостью, поступающей из камеры нагнетания 33 осевихревой ступени через отверстия 11 и отверстия 12. Рабочая жидкость на задний подшипник 10 подается из камеры гидропяты 18 через отверстия 19. Для разгрузки осевых сил в конструкции турбонасоса применено разгрузочное устройство, которое работает следующим образом. Жидкость с напора центробежного колеса 4 через радиальную дросселирующую щель 17 поступает в камеру гидропяты 18, изменение давления в которой приводит к изменению осевой силы. При работе насоса за счет разности сил на дисках центробежного колеса 4 и диска турбины 6 ротор 2 смещается вправо, уменьшая торцевую дросселирующую щель, что приводит к повышению давления в камере гидропяты 18 и восстановлению зазора в торцевой дросселирующей щели. Осевое смещение ротора 2 влево при работе ограничивается пусковой пятой 13 и подпятником 14, справа рабочей пятой 15 и подпятником рабочим 16. Вместе с тем из камеры гидропяты 18 жидкость через отверстия 19 поступает на смазку заднего подшипника 10, по рабочим зазорам пары трения и поступает в сливные камеры 20 и 21, соединенные между собой отверстиями 22, что позволяет снизить габариты агрегата. Жидкость на сливе из гидропяты и подшипника поступает через разгрузочные отверстия 5 на вход центробежного колеса 4. Разгрузочные отверстия 5 также улучшают выпуск нерастворенного газа из сливной камеры 20 и камеры гидропяты 18 в процессе заполнения насоса перед пуском. Для уменьшения осевых сил, возникающих от разности давления на левой и правой частях диска турбины 6, в диске выполнены отверстия 8 и установлено уплотнение 7, служащее для снижения протечек газа. С целью устранения гидравлических ударов, увеличивающих шум и вибрацию, из-за попадания газовой фазы в жидкость установлены уплотнения для жидкости 23 и для газа 24, 25, протечки из которых поступают в камеры разделительные 26 и через трубы 27 и 28 отводятся от турбонасоса. Подача рабочей жидкости с повышенным давлением из зоны нагнетания 33 через отверстия 31 и дроссели 32 в начальный участок неподвижной винтовой решетки 29 и в кольцевую камеру 30 улучшает кавитационные качества. Такая компоновка позволяет конструктивно получить минимальные габариты.

Применение предлагаемого изобретения позволит повысить надежность работы турбонасоса, улучшить кавитационные качества и повысить устойчивость на всех режимах работы.

Наиболее целесообразно использовать изобретение в авиационной, космической и судостроительной технике, где высоки требования к кавитационным качествам, надежности и одновременно требуются малые габариты, вес, при низких уровнях пульсации давления, вибрации и шума.

Формула изобретения

1. Компактный турбонасосный агрегат, содержащий корпус и ротор с осевихревой ступенью, состоящей из шнека и неподвижной решетки, с центробежным колесом и турбиной, установленный на радиальные подшипники скольжения, имеющий рабочую и пусковую гидропяту, размещенные на центробежном колесе, отличающийся тем, что осевихревая ступень имеет шнек с конической втулкой с меньшим диаметром на входе и большим на выходе и специальную кольцевую камеру на входе в винтовую неподвижную решетку, а также сверления и дроссели, соединяющие каналы винтовой неподвижной решетки с зоной нагнетания осевихревой ступени, рабочая жидкость на задний подшипник поступает из камеры гидропяты через специальные отверстия, а камера гидропяты соединена через торцевую щель и отверстия в диске колеса со всасывающей частью.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что в конструкции установлены уплотнения для жидкости, газожидкостной смеси и газа, а из камер, расположенных между ними, осуществляется раздельный отвод сред.

3. Агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что в диске турбины выполнены разгрузочные отверстия и установлено уплотнение между корпусом и диском турбины.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.10.2007

Извещение опубликовано: 27.06.2009 БИ: 18/2009