Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей ЖРД.
Шнекоцентробежный насос (рис. 1…3) содержит, установленные на валу 1 крыльчатку 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4. Шнек 5 установлен на дополнительном валу 6 и закреплен при помощи конической гайки 7. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнен зазор 1, величина которого может изменяться. Крыльчатка 2 жестко связана с валом 1, например, посредством фланца. Дополнительный вал 6 выполнен внутри вала 1 с возможностью проскальзывания, т. е. вращения с различной частотой и осевого перемещения внутри крыльчатки. Концентрично дополнительному валу 6 установлена втулка 8, на которой установлено с возможностью взаимного проскальзывания рабочее колесо гидротурбины 9.

Перед рабочим колесом гидротурбины 9 установлен сопловой аппарат гидротурбины 10, который крепится внутри вала 1 во внутренней полости 11 и делит эти полости на две полости: полость 12, перед сопловым аппаратом гидротурбины 10 и полость 13 – за рабочим колесом гидротурбины 9. Полость 12, отверстиями 14, выполненными в крыльчатке 2 сообщается с полостью крыльчатки 2. В отверстиях 14 могут быть установлены жиклеры15 для дозирования расхода перекачиваемого продукта через рабочее колесо гидротурбины 9. Между дополнительным валом 6 и втулкой 8 выполнена магнитная муфта 16, которая содержит ведущую и ведомую полумуфты, соответственно 17 и 18 с постоянными магнитами 19 . Дополнительный вал 6 подпружинен в сторону выхода насоса пружиной 20 которая упирается одним концом в кольцевой буртик 21, выполненный внутри втулки 8, а с другой стороны – в ведущую полумуфту 17 (рис. 3).

Полость 13 сообщается с входом в насос при помощи отверстий 22, выполненных ведущей полумуфте 16, осевого отверстия 23, выполненного внутри дополнительного вала 6 , полости 24 внутри конической гайки 7 и радиальных отверстий 25, выполненных в конической гайке 7 и выходящих в ее внутреннюю полость 24 . Подшипник 4 установлен в корпусе 25. К корпусу 25 подстыкован входной корпус 26 с входной полостью 27 и выходной корпус 28 с выходной полостью 29, между шнеком 5 и крыльчаткой 2 выполнена полость 30. На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 31, отделяющее выходную полость 29 от разгрузочной полости 32. Разгрузочная полость 32 позволяет уменьшить осевое усилие на основной подшипник 4. Между шнеком 5 и крыльчаткой 2 установлен упорный подшипник 33, а между крыльчаткой 2 и дополнительным валом 6, по меньшей мере один радиальный подшипник 34. Между втулкой 8 и ступицей 3 крыльчатки 2 установлен упорный подшипник 35. Второй упорный подшипник 35 установлен с противоположной стороны. Втулка 7 установлена на радиальных подшипниках 36. Один из радиальных подшипников 36 установлен внутри ступицы 3 крыльчатки 2, а другой – внутри втулки 8. Магнитная муфта 16 установлена на подшипнике 37, который выполнен в опоре 38. Опора 38 установлена внутри вала 1.
При запуске насоса шнек 5 вращается практически с той же скоростью, что и крыльчатка 2, за счет поджатия пружиной 20, что благоприятно сказывается на антикави-тационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим, давление перекачиваемого продукта в полости 30 будет больше, чем это необхо-димо из условия отсутствия кавитации на входе в шнек 5. Повышенное давление в полос-ти 30 создаст осевое усилие и переместит дополнительный шнек 5 в сторону входа в на-сос, при этом сожмется пружина 20 и дальнейшее перемещение шнека 5 прекратится, но дополнительный вал 6 будет вращаться с меньшим числом оборотов, чем вал 1. Это достигается за счет подбора мощности, создаваемой рабочим колесом гидротурбины 9 по-средством жиклеров 15. Осевые зазоры 1 и 2 увеличатся (рис. 2 и 3), поэтому мощность передаваемая магнитной муфтой 16 на рабочее колесо гидротурбины 9 уменьшится и уменьшится частота вращения шнека 5, что благоприятно скажется на антикавитационных свойствах шнека 5 и насоса в целом.. Возврат отработавшего в гидротурбине перекачиваемого продукта возвращается на вход в насос, по первых на минимально-возможном диаметре на конической части конической гайки, во вторых ввод этой части перекачивае-мого продукта (10…30% от общего расхода) выполняется на вход в низкооборотный шнек 5. Различные частоты вращения крыльчатки и шнека реализованы без применения редуктора, а мощность, передаваемая на шнек – достаточно велика за счет применения радиальной магнитной муфты.
При падении давления в полости 27 происходит обратный процесс, т. е. шнек 5 перемещается в сторону крыльчатки 2, тем самым процесс регулирования нагрузки будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит антикавитационные свойства насоса, например, при частоте вращения вала 100 000 об/мин можно получить скорость вращения шнека 5 порядка 5000…10 000 об/.мин, т. е предельную по кавитационным свойствам шнека скорость. При этом на одной ступени центробежного насоса будет полу-чено максимально возможное повышение давления при минимальном весе и габаритах насоса, что имеет решающее значение для ракетных двигателей.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека, применения консольной схемы и размещения пру-жин автомата управления нагрузкой шнека внутри на дополнительном валу внутри втулки. Обеспечить передачу значительной мощности за счет примене-ния радиальной магнитной муфты и автоматическое регулирование частоты вращения шнека в зависимости от режима работы насоса за счет возможности управления зазором между полумуфтами магнитной муфты.
2. Повысить КПД насоса за счет уменьшения утечек в зазорах.
3. Спроектировать насос очень большой мощности, имеющей достаточно мощный шнек, за счет радиальной конструкции магнитной муфты.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
5. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности, что имеет первостепенное значение в ракетной технике.
6. Обеспечить автоматическое регулирование антикавитационных свойств насоса.
7. Улучшить смазку магнитных подшипников.
8. Разгрузить осевые силы, действующие на роторы насоса, а именно: на основной вал, дополнительный вал и втулку, на которой закреплено рабочее колесо гидротурбины.

Автор статьи: Патентный повернный РФ Болотин Николай Борисович