Шнековідцентровий насос

Передбачуваний винахід належить до агрегатів турбонасосної системи живлення рідинних ракетних двигунів (РРД), може бути застосований у шнековідцентрових паливних авіаційних насосах, а також у високообертових насосах іншого призначення. Відомі шнековідцентрові насоси з різними шнеками, які призначені для поліпшення антикавітаційних властивостей відцентрового колеса [див. а.с. СССР № 154134 [1], а.с. СССР №270505 [2], патент США №3588280 [3]]. У шнековідцентровому насосі за джерелом [1] шнек виконаний з кількох секцій (рядів) лопаток. Згідно опису пристрій являє собою шнек змінного кроку, який одночасно виконано із збільшенням кількості лопаток (заходів) та зміщенням їх у суміжних секціях по колу і в осьовому напрямі для підвищення антикавітаційних якостей. Пристрій не усуває кавітаційні автоколивання. У шнековідцентровому насосі за джерелом [2] у лопатках шнека виконані відкриті пази, що забезпечують перепускання частини рідини, що перекачується, з зони високого тиску до зони кавітаційної ерозії. Пази призначені для усування кавітаційної ерозії лопаток шнека. Недоліком цього насоса є здатність його генерувати кавітаційні автоколивання. У конструкції насосу за джерелом [3] шнек має кілька рядів вузьких лопаток, зовнішні діаметри яких у напрямку р уху рідини зростають. Шнек встановлено на вхідному каналі насоса на конічному продовженні вала і призначено для передавання кінетичної енергії всмоктувальній рідині. Застосування вузьких лопаток замість суцільних полос усуває накопичення газу (пари) у міжлопаткових каналах шнека. Недоліком насоса за джерелом [3] є здатність його генерувати кавітаційні автоколивання. Шнек цього насоса не створює статичний напір, внаслідок чого кавітаційна каверна розміщується у відцентровому колесі. Відомі різні конструкції шнековідцентрових насосів, що підвищують стійкість системи відносно кавітаційних автоколивань (див. [5], мал.2). Встановлення перед шнеком конусної перегородки з щільної сітки (див. [5], мал.2) усуває кавітаційні автоколивання при роботі насоса на режимах із зворотними течіями. Недоліком такого пристрою є його "однорежимність" - для кожної витрати через насос існує оптимальний діаметр отвіру конуса і оптимальна відстань від шнека. З відомих шнековідцентрових насосів найбільш близькою за технічною суттю є конструкція насоса з шнеком, що має два ряди лопаток (див. [5], мал. 10) - прототип. Розділення шнека на два ряди лопаток за допомогою кільцевого прорізу на висоту лопаток було виконано з метою розширення обсягу стійкої роботи насоса відносно до низькочастотних кавітаційних автоколивань. Найкращі наслідки одержані зі шнеком, у якого перший ряд лопаток, що суперкавітує, має густоту решітки менше одиниці і дає напір не більше 20% напору лопаток другого ряду. Однак цей дворядний шнек не усуває автоколивань у режимах дроселювання, а при несприятливих умовах - і на номінальному режимі. У основу винаходу поставлена задача: шляхом зміни міжлопаткового каналу і конфігурації лопаток шнека забезпечити стійку роботу шнековідцентрового насоса відносно до низькочастотних кавітаційних автоколивань у широкому діапазоні режимів без погіршення антикавітаційних властивостей. Виконання задачі досягається тим, що у шнеку, що має мінімальний зазор між зовнішним діаметром і вхідним каналом насоса, лопатки розділені кільцевими прорізами на кілька рядів на вхідній частині шнека так, що густота реші тки лопаток (τ), яка визначається формулою τ= в/t, міститься у діапазоні 0,2-0,5, де в - довжина лопатки кожного ряду, t - крок решітки лопаток. Таким чином, суттєвою відмітною ознакою пристрою, що пропонується, є визначена величина густо ти решітки лопаток на вхідній частині шнека, яка міститься в діапазоні 0,2-0,5. Таке виконання шнека обмежує можливий об'єм кавітаційної каверни у шнеку, довжина якої не може бути більше довжини лопаток одного ряду завдяки перетіканню рідини з напорного боку лопаток через щілини між рядами, і у той же час утворює статичний напір, достатній для безкавітаційної роботи відцентрового колеса. Для пояснення роботи шнековідцентрового насоса, що пропонується, наведені креслення, де на Фіг.1 показаний поздовжній розріз насоса зі шнеком, на Фіг.2 - розгортка циліндричного перерізу лопаток шнека. Шнек 1, що складається з спіральних лопаток 2, розташованих на втулці, установлений у вхідному каналі 3 насоса. Лопатки 2 з постійним або змінним кроком гвинтової поверхні розділені на вхідній частині кільцевими прорізами 4 на кілька рядів 5. Прорізи 4 призначені для перетікання рідини з напорного боку лопаток на всмоктуючий. Вхідні і ви хідні крайки лопаток кожного ряду загострені і заполіровані (зачищені) з забезпеченням плавного переходу до повної товщини лопатки з метою зменшення гідравлічних втрат. З початком роботи насоса збільшується тиск на напорному боці лопаток 2, і рідина починає перетікати через прорізи 4 на всмоктуючий бік лопаток 2. Кавітаційна каверна, що утворюється на всмоктуючому боці лопаток 2, поділяється потоками через прорізи на кілька суперкавітуючи х. Інтенсивність зворотних течій на вході до шнека послаблюється. Зменшується від'ємний активний опір на вході в шнек, внаслідок чого зменшується енергія, що підводиться до коливальної системи і підтримує незатухаючі коливання. Внаслідок усуваються кавітаційні автоколивання. Кількість прорізів не може бути вибрана вільно і визначається густо тою решітки ряду, що знаходиться між сусідніми прорізами, рівнорозташованими на вхідній частині шнека. Як свідчать експериментальні дослідження, проведені авторами, при виконанні шнека з густотою решітки кожного ряду τ > 0,5 значно послаблюється стабілізуючий вплив прорізів у шнеку. У випадку зменшення густоти реші тки кожного ряду до значення τ < 0,2 відбувається помітне зниження напору шнека, і його стає недостатньо для безкавітаційної роботи відцентрового колеса. Тому оптимальне значення густо ти решітки кожного ряду повинне знаходитися у діапазоні 0,2-0,5. Треба мати на увазі, що шнек після виконання прорізів повинен забезпечити достатній напір для безкавітаційної роботи відцентрового колеса. У супротивному випадку виконання прорізів, рівномірно розташованих по всій довжині шнека, малоефективне для стабілізації системи і може навіть викликати додаткову дестабілізацію. Для наочності на фіг. 3 і 4 наведені результати аналізу експериментальних даних: - на Фіг.З наведені межі області стійкості роботи у площині параметрів "тиск на вході - відносна витрата" для насоса із звичайним шнеком без прорізів кавітаційні автоколивання (затушовані кружки) спостерігались навіть при витратах через насос більших номінальної, а саме при Q = 1,1 Qном та тиску на вході 0,15МПа; - на Фіг.4 за тих же параметрів показані межі областей стійкої роботи для двох насосів, які були складені із шнеками з прорізами, але один з шнеків виконаний з густотою решітки кожної секції τ=0,8, а інший являє собою заявлений авторами пристрій і має густоту решітки кожного ряду τ=0,25. З представлених результатів випливає, що шнек з прорізами, який має густоту решітки кожного ряду 0,8, практично не підвищує стійкість роботи насоса. Заявлений шнековідцентровий насос, як свідчить Фіг.4, забезпечує стійку роботу системи навіть на режимах дроселювання аж до витрати Q = 0,5 Qном. Роботоздатність шнековідцентрового насоса багатократно перевірялась авторами під час його відпрацювання у складі різних РРД. Проведені випробування підтвердили високу ефективність заявленого шнековідцентрового насоса у напрямку усування кавітаційних автоколивань. У всіх випадках підвищення стійкості було досягнуто без погіршення антикавітаційних властивостей насосів. Джерела інформації, що використані. 1. А.с. СССР № 154134, кл. F04d 3/02. Бюллетень №8, 1963г. 2. А.с. СССР № 270505, кл. F04d 29/00, 1969г. 3. Патент США № 3588280, кл. F04d 29/00. 4. В.В.Пилипенко, В.А.Задонцев, М.С.Натанзон «Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем»,М.,Ма шиностроение,1977. 5. В.В.Пилипенко, В.А.Задонцев, Я.Н.Иванов, В.А.Дрозд «Подавление кавитационных автоколебаний в гидравлической системе со шнекоцентробежным насосом». Прикладные задачи гидрогазодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. - Киев: На-ук.думка, 1989.-С. 14-26, рис.10-прототип.