Патент на изобретение №2180055
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
(57) Реферат: Изобретение относится к насосостроению, а именно к высокооборотным высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей. Центробежный насос содержит статор, ротор, установленный с возможностью осевого перемещения относительно статора, и рабочее колесо с несущим и покрывным дисками, установленное на валу ротора. Насос также имеет пяту, щелевое уплотнение, выполненное на несущем диске рабочего колеса, торцовую регулирующую щель между пятой и кольцевым выступом на несущем диске рабочего колеса, шарикоподшипник, установленный между торцами статора и опирающийся на упорный торец статора со стороны несущего диска рабочего колеса. Со стороны, противоположной упорному торцу статора, между торцом статора и торцом шарикоподшипника установлен упругий элемент с ограничителем осевого перемещения ротора. Ограничитель выполнен в виде кольца, опирающегося на упругий элемент и на торец шарикоподшипника. Ограничитель может быть выполнен в виде отдельного кольца, в котором ниже внутреннего диаметра упругого элемента выполнен цилиндрический выступ, образующий с корпусом осевой зазор, и соединенный с этим выступом упругий элемент ограничителя, на который опирается упругий элемент. Контакт всех шариков с кольцами шарикоподшипника под воздействием осевого усилия упругого элемента исключает возможность проскальзывания шариков и прецессии ротора и обеспечивает повышение работоспособности шарикоподшипников. Также обеспечивается снижение осевых нагрузок на шарикоподшипник при запуске насоса за счет повышения эффективности автоматической осевой разгрузки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Предлагаемое изобретение относится к области насосостроения, а именно к высокооборотным высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Одним из главных элементов конструкции, в значительной мере определяющим работоспособность высокооборотных высоконапорных центробежных насосов и, в частности насосов ТНА, являются подшипники опор ротора. Относительно невысокий требуемый ресурс турбонасосных агрегатов ЖРД обусловил широкое использование в опорах роторов ТНА шарикоподшипников. При высоких давлениях в полостях насоса и турбины на элементы ротора действуют осевые усилия в десятки и сотни кН. Для исключения воздействия осевых усилий на подшипники в ТНА применяется автоматическая осевая разгрузка ротора, обеспечивающая уравновешивание осевых усилий, действующих на элементы ротора. Известен центробежный насос, содержащий статор, ротор, установленный с возможностью осевого перемещения относительно статора, рабочее колесо с несущим и покрывным дисками, установленное на вал ротора, пяту, щелевое уплотнение, выполненное на несущем диске рабочего колеса, торцовую регулирующую щель между пятой и кольцевым выступом на несущем диске рабочего колеса, шарикоподшипник, установленный между торцами статора и опирающийся на упорный торец статора со стороны несущего диска рабочего колеса (авторское свидетельство 830010 по заявке 2802086, МПК F 04 D 29/04, 19.07.1979 г. – прототип). Недостатком данного насоса является пониженная работоспособность шарикоподшипников из-за проскальзывания шариков в процессе работы, в особенности при запуске ЖРД, вследствие значительного темпа роста частоты вращения. Устройство автоматической осевой разгрузки ротора полностью разгружает шарикоподшипники от воздействия осевых усилий. В результате этого шарики, смещаясь в пределах зазоров в подшипнике, теряют контакт с рабочими поверхностями колец подшипника. Это приводит к проскальзыванию шариков и к снижению работоспособности шарикоподшипников. Режим проскальзывания шариков особенно опасен для подшипников, работающих в жидком кислороде. При проскальзывании происходит интенсивный разогрев и износ мест контакта шариков, что может привести к возгоранию подшипника в среде кислорода и к выходу из строя насоса. Кроме того, при работе шарикоподшипника без осевой нагрузки под воздействием радиальных дисбалансных нагрузок ротор вращается с прецессией в пределах радиального зазора шарикоподшипника. Это приводит к повышенным динамическим нагрузкам, снижающим долговечность шарикоподшипника. Задачей предлагаемого изобретения является повышение работоспособности шарикоподшипников путем устранения проскальзывания шариков и исключения прецессии ротора. Поставленная задача достигается тем, что в центробежном насосе, содержащем статор, ротор, установленный с возможностью осевого перемещения относительно статора, рабочее колесо с несущим и покрывным дисками, установленное на вал ротора, пяту, щелевое уплотнение, выполненное на несущем диске рабочего колеса, торцовую регулирующую щель между пятой и кольцевым выступом на несущем диске рабочего колеса, шарикоподшипник, установленный между торцами статора и опирающийся на упорный торец статора со стороны несущего диска рабочего колеса, согласно изобретению со стороны, противоположной упорному торцу статора, между торцом статора и торцом шарикоподшипника установлен упругий элемент с ограничителем осевого перемещения ротора, выполненным в виде кольца, опирающегося на упругий элемент и на торец шарикоподшипника. Причем для снижения осевых нагрузок на шарикоподшипник при запуске центробежного насоса за счет повышения эффективности автоматической осевой разгрузки ограничитель осевого перемещения ротора может быть выполнен в виде отдельного кольца, в котором ниже внутреннего диаметра упругого элемента выполнен цилиндрический выступ, образующий с корпусом осевой зазор, и соединенный с этим выступом упругий элемент ограничителя, на который опирается упругий элемент. На фиг.1 показан общий вид, на фиг.2 – вариант предлагаемого насоса, где 1 – ротор, 2 – статор, 3 – отвод насоса, 4 – рабочее колесо, 5 – шарикоподшипник, 6 – несущий диск, 7 – разгрузочная полость, 8 – пята, 9, 15 – щелевое уплотнение, 10 – торцовая регулирующая щель, 11 – кольцевой выступ, 12 – полость высокого давления, 13 – сливная полость, 14 – сливные отверстия, 16 – упорный торец, 17 – упругий элемент, 18 – ограничитель, 19 – упорный торец ограничителя, 20 – упругий элемент ограничителя, 21 – цилиндрический выступ,  0 – зазор по торцу ограничителя, a – зазор в торцевой регулирующей щели.
Центробежный насос (фиг. 1) состоит из ротора 1 и статора 2, в котором выполнен отвод насоса 3. На валу ротора установлено рабочее колесо 4. Ротор 1 опирается на шарикоподшипник 5, установленный в статоре 2. Со стороны несущего диска 6 рабочего колеса 4 выполнено устройство автоматической осевой разгрузки ротора. Разгрузочная полость 7 устройства автоматической осевой разгрузки ротора образована несущим диском 6 и пятой 8 и ограничена щелевым уплотнением 9 несущего диска 6 и торцовой регулирующей щелью 10 между торцом пяты 8 и кольцевым выступом 11 ступицы рабочего колеса 4. Щелевое уплотнение 9 отделяет разгрузочную полость 7 от полости высокого давления 12, торцовая регулирующая щель 10 – разгрузочную полость 7 от сливной полости 13, соединенной с помощью сливных отверстий 14 с входом рабочего колеса 4.
Со стороны входа в рабочее колесо 4 полость высокого давления 12 отделена от входа в рабочее колесо щелевым уплотнением 15.
Шарикоподшипник 5 опирается своим торцом на упорный торец 16 статора 8. Со стороны несущего диска 6 между торцом шарикоподшипника 5 и торцом статора 2 установлен упругий элемент 17. Упругий элемент 17 выполнен в виде втулки с выступами, опирающимися на торец статора 2, и прорезями, смещенными в окружном направлении относительно выступов. Шарикоподшипник 5 установлен с возможностью осевого перемещения совместно с ротором 1 в сторону, противоположную входу в рабочее колесо 4. Осевое перемещение ротора лимитируется ограничителем 18, выполненным заодно с упругим элементом 17. Ограничитель 18 опирается своим упорным торцом 19 на торец шарикоподшипника 5. Величина осевого перемещения ротора определяется осевым зазором 0 между торцами ограничителя 18 и статора 2. В варианте, приведенном на фиг.2, ограничитель 18 выполнен в виде отдельного кольца с цилиндрическим выступом 21 и соединенным с ним упругим элементом ограничителя 20, выполненным в виде стенки, на которую опирается упругий элемент 17.
Во второй опоре ротора устанавливается “плавающий” шарикоподшипник, не имеющий ограничителя осевого перемещения. В этой опоре используется упругий элемент любой известной конструкции. При этом не имеет значения с какой стороны шарикоподшипника устанавливается упругий элемент. В собранном насосе и в работающем насосе при любом варианте установки упругого элемента устраняются зазоры в шарикоподшипнике.
При сборке величина осевого зазора a в торцовой регулирующей щели 10 выполняется больше осевого зазора 0. Этим исключается при работе контакт кольцевого выступа 11 с пятой 8. Упругий элемент 17 устанавливается в поджатом до заданного усилия состоянии. Величина усилия упругого элемента 17 выбирается в зависимости от типоразмера шарикоподшипника и составляет от нескольких сот до нескольких тысяч Ньютон.
При сборке, сжимая упругий элемент 17, смещают ротор 1 в направлении, обратном входу в рабочее колесо 4, и устанавливают его в положение упора торца ограничителя 18 в торец статора. Это положение ротора соответствует нулевому значению зазора по торцу ограничителя 18 (0= 0). В этом положении за счет подрезки торца пяты 8 обеспечивают зазор в торцовый регулирующей щели (a)min, например – 0,1 мм. Такая величина зазора исключает возможность затирания кольцевого выступа 11 рабочего колеса 4 о торец пяты 8 в начальный момент запуска насоса, когда низка эффективность работы устройства автоматической осевой разгрузки.
В собранном насосе упругий элемент 17 устанавливает ротор в крайнее положение в сторону входа в рабочее колесо 4 до упора в упорный торец 16 статора. Это положение ротора соответствует максимальным значениям зазора в торцовой регулирующей щели 10 {a= (a)max} и зазора по торцу ограничителя 18 {0= (0)max}. Величина максимального зазора в торцовой регулирующей щели 10 определяется соотношением( a)max= (a)min+(0)max+n,где n – осевая игра шарикоподшипника (взаимное смещение колец в пределах зазора шарикоподшипника).
В реальных конструкциях насосов максимальное значение зазора в торцовой регулирующей щели 10 составляет величину 0,9…1,2 мм, осевая игра – величину 0,2…0,3 мм.
До начала работы ротор 1 смещен в крайнее положение, соответствующее контакту торца шарикоподшипника с упорным торцом 16 статора 2. При этом осевой зазор a в торцовой регулирующей щели 10 имеет максимальное значение.
Устройство автоматической осевой разгрузки в пределах минимального осевого зазора (a)min в торцевой регулирующей щели 10 имеет значительный резерв разгружающей способности. Использование разгружающей способности автоматического устройства осевой разгрузки в пределах зазоров, меньших минимального монтажного зазора (a)min, обеспечивается в варианте насоса (фиг.2). В этом случае ограничитель 18 выполнен в виде отдельного кольца, в котором ниже внутреннего диаметра упругого элемента 17 выполнен цилиндрический выступ 21 и соединенный с ним упругий элемент ограничителя 20, выполненный в виде стенки, на которую опирается упругий элемент 17. Осевой зазор 0, ограничивающий перемещение ротора, образован цилиндрическим выступом 21, примыкающим к упругому элементу ограничителя 20, и корпусом 2.
При работе насоса, выполненного согласно фиг.1, рабочая жидкость поступает на вход в рабочее колесо 4 и далее в полость высокого давления 12 за рабочим колесом. Основная масса жидкости из полости высокого давления отводится через отвод 3 насоса. Через щелевое уплотнение 9 часть жидкости протекает в разгрузочную полость 7 устройства автоматической осевой разгрузки ротора. Из разгрузочной полости 7 жидкость через осевой зазор a в торцовой регулирующей щели 10 поступает в сливную полость 13 и через сливные отверстия 14 на вход рабочего колеса 4. Вследствие того что диаметр щелевого уплотнения 15 меньше диаметра щелевого уплотнения 9, под воздействием давления жидкости в полости высокого давления 12 на рабочем колесе 4 возникает осевое усилие, перемещающее ротор в сторону, обратную входу в рабочее колесо. В результате смещения ротора уменьшается зазор по торцу ограничителя 0 и осевой зазор a в торцовой регулирующей щели 10. При уменьшении осевого зазора a увеличивается сопротивление торцовой регулирующей щели 10, что приводит к увеличению давления в разгрузочной полости 7. Когда приращение давления в разгрузочной полости 7 уравновесит осевое усилие, вызвавшее перемещение ротора 1, перемещение ротора прекращается и в торцовой регулирующей щели 10 устанавливается осевой зазор a меньше первоначального значения.
При работе равновесному положению ротора соответствует зазор в торцовой регулирующей щели (a)p, который больше осевого зазора a, и смещение ротора от монтажного положения на величину {(a)max-(a)p} (в реальных конструкциях величина смещения ротора составляет 0,6…0,9 мм). Эта величина смещения ротора больше величины осевой игры шарикоподшипника n. Вследствие этого происходит смещение наружного кольца шарикоподшипника и в контакте шариков с кольцами шарикоподшипника действует осевое усилие от упругого элемента 17. При смещении наружного кольца шарикоподшипника уменьшается зазор 0 по торцу ограничителя 18 и происходит поджатие упругого элемента 17. При этом между торцом шарикоподшипника и упорным торцом 16 статора возникает осевой зазор.
Контакт всех шариков с кольцами шарикоподшипника под воздействием осевого усилия упругого элемента исключает возможность проскальзывания шариков и прецессии ротора.
При запуске насоса от турбины, имеющей общий с насосом вал, на ротор действует повышенное осевое усилие от турбины в направлении, противоположном входу в рабочее колесо 4 насоса. В результате этого ротор устанавливается в положение упора торца ограничителя 18 в торец статора. При этом на шарикоподшипник действует осевое усилие, равное осевому усилию, не скомпенсированному устройством автоматической осевой разгрузки. Величина этого усилия может быть значительной, что приводит к снижению работоспособности шарикоподшипника на основных режимах работы насоса.
При работе насоса, выполненного согласно фиг.2, при смещении ротора до упора торца цилиндрического выступа 21, что соответствует нулевому зазору 0= 0 и минимальному значению осевого зазора (a)min, происходит осевая деформация упругого элемента ограничителя 20 и ротор смещается в пределах зазора (a)min. При этом на шарикоподшипник действует усилие, равное произведению деформации на жесткость податливого элемента. В результате осевой деформации упругого элемента ограничителя 20 уменьшается осевой зазор a в торцовой регулирующей щели, что приводит к увеличению давления в разгрузочной полости устройства автоматической осевой разгрузки. При перемещении ротора в пределах минимального осевого зазора (a)min в торцовой регулирующей щели 10 осевое усилие, действующее на ротор, компенсируется приращением осевых усилий на шарикоподшипнике и в разгрузочной полости устройства автоматической осевой разгрузки.
Жесткость упругого элемента ограничителя выбирается примерно равной жесткости шарикоподшипника, что по сравнению с абсолютно жестким ограничителем обеспечивает снижение осевого усилия, действующего на шарикоподшипник, примерно в два раза.
В процессе запуска насоса возможен кратковременный контакт торца кольцевого выступа 11 рабочего колеса 4 и торца пяты 8, не нарушающий работоспособность устройства автоматической осевой разгрузки.
За счет выполнения ограничителя осевых перемещений в виде отдельного кольца обеспечивается снижение осевых нагрузок на шарикоподшипник при запуске центробежного насоса за счет повышения эффективности автоматической осевой разгрузки.
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.12.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 16-2004
Извещение опубликовано: 10.06.2004
|
||||||||||||||||||||||||||
