Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.
Шнекоцентробежный насос (рис. 1…8) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. Вал 1 установлен в подшипнике 2, который установлен в заднем корпусе 3. На валу 1 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 со-держит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и перед-ней стенкой 7. Шнекоцентробежный насос содержит передний корпус 9, входной корпус 10 с входной полостью 11. Со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 на валу 1 установлен в возможностью окружного проскальзывания относительно вала 1 шнек 12. Перед шнеком 12 установлена гидротурбина 13, жестко соединенная с эти шнеком 12. Пе-ред гидротурбиной 13 установлен дополнительный шнек 14, имеющий внешнее бандажное кольцо 15, жестко соединенное с центробежным рабочим колесом 4, точнее – с его передней стенкой 7 для передачи крутящего момента с вала 1 на центробежное рабочее колесо 4 и далее на дополнительный шнек 14.

К заднему корпусу 3 пристыкован выходной корпус 16, имеющий полость 17.
Со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 выполнено переднее уплотнение 18. Между дополнительным шнеком 14 и гидротурбиной 13 образуется полость 19, между гидротурбиной 12 и шнеком 11 – полость 20, между шнеком 12 и центробежным рабочим колесом 4 – полость 21. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 22 и разгрузочная полость 23, защищенная по валу 1 уплотнением 24. Перед гидротурбиной 12 и за шнеком 12 установлены фрикционные кольца 25. Дополнительный шнек 14 может быть выполнен с внутренним бандажным кольцом 26 (рис. 3).

В ступице 5 центробежного колеса 2 выполнена внутренняя полость 27 и отверстия 28 (рис. 1 и 4). В валу 1 выполнены радиальные отверстия 29. При этом отверстия 29 соединяют полость 30, внутри вала 1 с внутренней полостью 27, а отверстия 28 соединяют полость внутреннюю полость 27 с полостью 6 внутри центробежного рабочего колеса 4 и предназначены для возврата утечек перекачиваемого продукта, прорвавшихся через зад-нее уплотнение 22 в центробежное рабочее колесо 4 и снижения давления в разгрузочной полости 23 для уменьшения осевых сил, действующих на вал 1 и подшипник 2.

Эпюры давлений в полостях 11, 18, 19 и 20 показаны на рис. 2. Более детально конструкция шнеков 11 и 14 и гидротурбины 12 показана на рис. 3. Отверстия 27 выполнены или под углом 90 0 (т. е. радиально рис. 5 и 6 или перпендикулярно к оси насоса, рис. 7) или под острым углом к оси насоса (т. е. под углом менее 90 0). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. На валу 3 против внутренней полости 27 выполнены радиальные отверстия 29, которые соединяют полость 27 с полостью 30 вала 3. Подшипник 9 уплотнен с обеих сторон уплотнениями 31 и 32. Между подшипником 9 и уплотнением 31 сформирована полость 33, которая радиальными отверстиями 34, выполненными внутри вала 9 соединена с полостью 30. Наиболее подверженное кавитации место 35 находится на входе в центробежное рабочее колесо 4, в месте стыковки лопастей 6 с передней стенкой 7, на максимальном диаметре.
Внутри отверстий 28 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 36. (рис. 4…5). Центробежные регуляторы расхода 36 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса
Конструктивно центробежного регулятора расхода 36 приведена на рис. 4…6. Он содержит седло 37, клапан 38 со штоком 39 и поршнем 40.

Внутри седла 35 установлена пружина 41, упирающаяся в поршень 40 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО., т. е. открывающее центробежный регулятор расхода 36. В поршне 40 выполнены отверстия 42 (рис. 8) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 2.

РАБОТА ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
При запуске насоса приводом (на рис. 1…8 не показано), раскручивается вал 1 с центробежным рабочим колесом 4 и с дополнительным шнеком 14. Давление за дополни-тельным шнеком 14 повышается. Поток перекачиваемого продукта относительно высоко-го давления раскручивает гидротурбину 13, которая раскручивает шнек 12. Шнек 12 повышает давление на входе в центробежное рабочее колесо 4 , тем самым предотвращая кавитацию на его входе ( в наиболее подверженном кавитации месте 35). Квитационные свойства шнеков всегда лучше, чем у центробежных рабочих колес. Для значительного улучшения кавитационных свойств шнека 12 он спроектирован так, чтобы работал с частотой вращения меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4 примерно в 2..3 раза, что технически несложно за счет проектирования гидротурбины пониженной мощности.
Для этого надо выполнить их геометрические размеры в соответствии со следующими отношениям: внутренний диаметр дополнительного шнека должен составлять 0,4 …0,95 от его внешнего диаметра, а внешний диаметр гидротурбины от 0,4 до 0,6 внешне-го диаметра дополнительного шнека (фиг. 3), т. е :
D2 = ( 0,4…0,95 .) хD1
D3 = (0,4…0,6.)хD1,
D вт ≤ D2.
Такое соотношение размеров обеспечивает максимально давление (фиг.2) в точке 35 полости 21 за шнеком 12, т. е в месте наиболее опасном с точки зрения кавитации.
Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т. е. в полости 24 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 25 поступает в разгрузочную полость 26, проходит через подшипник 9, уплотнение 32 в полость 33 и далее через радиальные отверстия 34 в полость 30, потом через радиальные отверстия 29 – в полость 27 и через отверстия 28 возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4. Шнек 11 повышает давление в полости за шнеком 11. Перепуск подогретых утечек организован внутрь рабочего центробежного рабочего колеса 4.
При наличии центробежного регулятора расхода 36 при увеличении скорости вращения рабочего колеса расход утечек в % отношении уменьшается. Это позволит повысить КПД насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства. При наличии центробежного регулятора расхода 36 при увеличении скорости вращения рабочего колеса 4 уменьшается относительный расход перекачиваемого продукта (в % от общего расхода), используемого для смазки подшипника. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 38 увеличиваются, клапан 38 сжимает пружину 40, зазор между клапаном 38 и седлом 37 уменьшается.. Это позволит повысить КПД насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, т. к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства, входящего в состав ТНА насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека, расположенного непосредственно на входе в центробежное рабочее колесо.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил вала.
3. Спроектировать ТНА, в том числе насос и турбину очень большой мощности за счет повышения частоты вращения вала, центробежного рабочего колеса насоса и рабоче-го колеса турбины до предельно допустимых по прочности значений.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента на входе в насосе вследствие предотвращения.
5. Создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности насоса.

Автор статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович