Шнеко-осевой центробежный черпаково-струйный турбонасос

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Манкевич Эдуард Александрович(72) Автор Манкевич Эдуард Александрович(73) Патентообладатель Манкевич Эдуард Александрович(57) Шнеко-осевой центробежный черпаково-струйный турбонасос, характеризующийся тем, что содержит корпус, рабочий орган и привод в виде турбины, причем корпус турбонасоса выполнен составным из верхнего и нижнего элементов с расположенной между ними диафрагмой с направляющим трехъярусным аппаратом, соединенных посредством клинового разъемного кольца с образованием с верхним элементом корпуса полости для размещения рабочего органа, а с нижним - кольцевой камеры для сбора жидкости, причем на верхнем элементе корпуса и заодно с ним, со стороны диафрагмы, выполнен кольцевой 10864 1 2008.06.30 центрирующий бортик, расчлененный направляющим аппаратом диафрагмы и с внутренним диаметром, равным наружному диаметру диафрагмы, на верхний элемент корпуса сверху установлена тренога с закрепленными на ней кольцевым трубопроводом с соплами для подачи рабочего тела на турбину и подводящей жидкость неподвижной трубой с фиксаторами, выполненной в виде коаксиально спаренных двух труб с образованием кольцевой пазухи между ними, на верхнем элементе корпуса и диафрагме установлены соосно вращающиеся опоры, а для обеспечения возможности сообщения верхней и нижней частей полости для размещения рабочего органа с перекачиваемой жидкостью выполнен гидропровод, соединенный с кольцевой пазухой подводящей жидкость неподвижной трубы и через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму - с кольцевыми заборными каналами, выполненными снизу верхнего элемента корпуса и сверху диафрагмы для сбора жидкости и последующего ее сброса из них рабочий орган выполнен трехъярусным, высокооборотным в виде центробежных разъемных верхнего ведущего диска с полым валом и нижнего ведомого диска с глухим валом, скрепленных по периферии напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала,например из кварцевых волокон, причем на ведущем и ведомом дисках со стороны валов выполнены ребра-лопатки с покрывными дисками с выполненными на последних наклонными отверстиями, снабженными заборными черпакообразными выступами, соответственно расположенными против кольцевых заборных каналов верхнего элемента корпуса и диафрагмы и отверстий гидропровода с возможностью захвата и перемещения жидкости от центра к периферии, на ведомом и ведущем дисках с противоположной от валов стороны выполнены соответственно лопатки для перемещения жидкости к периферии и такой же конфигурации вертикальные канавки с обеспечением возможности их вхождения в плавающее зацепление с лопатками, с образованием среднего яруса рабочего органа, оба вала которого установлены во вращающиеся опоры корпуса с возможностью вращения посредством турбины, подводящая жидкость неподвижная труба соединена с полым валом ведущего диска посредством гидравлического затвора, выполненного в виде камеры с подводящей жидкость трубкой и лабиринтно-винтовым уплотнением, и сборника жидкости с отводящей жидкость трубкой, внутри которого на полом валу установлен диск отброса жидкости, а внутри полого вала ведущего диска установлен шнек-нагнетатель ведущий и ведомый диски рабочего органа выполнены симметричными друг другу и связаны между собой посредством торсионной тяги, между дисками расположен предвключенный пропеллерный осевой насос в виде плавающего распорного элемента, опирающегося на рассекатель, выполненный на ведомом диске для обеспечения закручивания потока жидкости, причем оба вала рабочего органа выполнены с одинаковыми наружными диаметрами, а все сечения его кольцевых полостей от центра до периферии выполнены с равными проходными площадями. Изобретение относится к энергетическому гидромашиностроению и предназначено к использованию преимущественно в области энергетики для создания высоконапорных потоков жидкостей, подачи их на лопатки турбин и использования на них в качестве рабочего тела привода в действие турбин и связанных с ними генераторов электрического тока, а также в других областях промышленности, где требуются высоконапорные потоки жидкостей. Известны шнеко-центробежные турбонасосы, содержащие корпус, рабочее колесо,турбопривод и общий вал 1. Недостатки их большие потери подводимой мощности, малая прочность, низкие КПД и напорно-расходные характеристики. Известны черпаковые насосы, включающие корпус, рабочее колесо и турбопривод 2. Недостатки их малая производительность, большие потери подводимой мощности,низкая прочность элементов насосов. Известны струйные насосы, содержащие корпус, конфузор, горловину и диффузор для преобразования кинетической энергии потока жидкости в потенциальную 3. 2 10864 1 2008.06.30 Недостатки их низкие КПД и напорные характеристики. Задачей настоящего изобретения является создание турбонасоса, содержащего корпус,рабочий орган и привод в виде турбины, обладающего лучшими качествами всех названных известных насосов, и исключение их недостатков. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что корпус турбонасоса выполнен составным из верхнего и нижнего элементов с расположенной между ними диафрагмой с направляющим трехъярусным аппаратом, соединенных посредством клинового разъемного кольца с образованием с верхним элементом корпуса полости для размещения рабочего органа, а с нижним - кольцевой камеры для сбора жидкости, причем на верхнем элементе корпуса и заодно с ним, со стороны диафрагмы, выполнен кольцевой центрирующий бортик, расчлененный направляющим аппаратом диафрагмы и с внутренним диаметром, равным наружному диаметру диафрагмы, на верхний элемент корпуса сверху установлена тренога с закрепленными на ней кольцевым трубопроводом с соплами для подачи рабочего тела на турбину и подводящей жидкость неподвижной трубой с фиксаторами, выполненной в виде коаксиально спаренных двух труб с образованием кольцевой пазухи между ними, на верхнем элементе корпуса и диафрагме установлены соосно вращающиеся опоры, а для обеспечения возможности сообщения верхней и нижней частей полости для размещения рабочего органа с перекачиваемой жидкостью выполнен гидропровод, соединенный с кольцевой пазухой подводящей жидкость неподвижной трубы и через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму - с кольцевыми заборными каналами, выполненными снизу верхнего элемента корпуса и сверху диафрагмы для сбора жидкости и последующего ее сброса из них рабочий орган выполнен трехъярусным, высокооборотным в виде центробежных разъемных верхнего ведущего диска с полым валом и нижнего ведомого диска с глухим валом, скрепленных по периферии напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала,например из кварцевых волокон, причем на ведущем и ведомом дисках со стороны валов выполнены ребра-лопатки с покрывными дисками с выполненными на последних наклонными отверстиями, снабженными заборными черпакообразными выступами, соответственно расположенными против кольцевых заборных каналов верхнего элемента корпуса и диафрагмы и отверстий гидропровода с возможностью захвата и перемещения жидкости от центра к периферии, на ведомом и ведущем дисках с противоположной от валов стороны выполнены соответственно лопатки для перемещения жидкости к периферии и такой же конфигурации вертикальные канавки с обеспечением возможности их вхождения в плавающее зацепление с лопатками, с образованием среднего яруса рабочего органа, оба вала которого установлены во вращающиеся опоры корпуса с возможностью вращения посредством турбины, подводящая жидкость неподвижная труба соединена с полым валом ведущего диска посредством гидравлического затвора, выполненного в виде камеры с подводящей жидкость трубкой и лабиринтно-винтовым уплотнением, и сборника жидкости с отводящей жидкость трубкой, внутри которого на полом валу установлен диск отброса жидкости, а внутри полого вала ведущего диска установлен шнек-нагнетатель ведущий и ведомый диски рабочего органа выполнены симметричными друг другу и связаны между собой посредством торсионной тяги, между дисками расположен предвключенный пропеллерный осевой насос в виде плавающего распорного элемента, опирающегося на рассекатель, выполненный на ведомом диске для обеспечения закручивания потока жидкости, причем оба вала рабочего органа выполнены с одинаковыми наружными диаметрами, а все сечения его кольцевых полостей от центра до периферии выполнены с равными проходными площадями. На фиг. 1 изображен турбонасос в продольном разрезе. На фиг. 2 дан поперечный разрез в плоскости клинового кольца. На фиг. 3 показан поперечный разрез по лопаткам турбины привода рабочего органа. На фиг. 4 показан фрагмент продольного разреза с наклонным отверстием, кольцевым каналом и черпакообразным выступом, а на фиг. 5 дано сечение а-а фиг. 4. Турбонасос имеет корпус 1, выполненный составным из верхнего 2 и нижнего 3 элементов и диафрагмы 4 между ними с направляющим трехъярусным аппаратом 5, которая 3 10864 1 2008.06.30 образует с верхним элементом 2 полость 6 для рабочего органа 7, а с нижним 3 - кольцевую камеру 8 для сбора жидкости,соединение которых произведено клиновым разъемным кольцом 9, причем на верхнем элементе 2 со стороны диафрагмы 4 и заодно с ним выполнен кольцевой центрирующий бортик 10, расчлененный направляющим аппаратом 5 с внутренним диаметром, равным наружному диаметру диафрагмы 4, сверху него установлена тренога 11, на которой закреплены кольцевой трубопровод 12 с соплами 13 подачи рабочего тела, подводящая жидкость спаренная (одна труба внутри другой с кольцевой пазухой между ними) неподвижная труба 14 и ее фиксаторы 15, на верхнем элементе 2 и диафрагме 4 установлены соосно быстровращающиеся опоры 16 и 17 и для сообщения верхней и нижней частей полости 6 корпуса 1 с перекачиваемой жидкостью смонтирован гидропровод 18, проходящий через верхний элемент 2 корпуса 1, направляющий трехъярусный аппарат 5 и диафрагму 4 и входящий в кольцевые заборные каналы 19 и 20, выполненные снизу верхнего элемента 2 и сверху диафрагмы 4 для сбора жидкости и последующего ее забора из них рабочий орган 7 - трехъярусным, высокооборотным в виде центробежных разъемных верхнего ведущего 21 с полым валом 22 и нижнего ведомого 23 с глухим валом 24 дисков, скрепленных на периферии напряженными многослойными обмотками 25 из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, которые имеют со стороны валов 22 и 24 ребра-лопатки 26 и 27 с покрывными дисками 28 и 29 с наклонными для улучшения захвата жидкости отверстиями 30 и 31 и заборными черпакообразными выступами 32 и 33 против кольцевых заборных каналов 19 и 20 верхнего элемента 2 и диафрагмы 4 и гидропровода 18 для захвата и перемещения жидкости от центра к периферии, лопатки 34 для перемещения жидкости к периферии на ведомом диске 23 и такой же конфигурации (вертикально лопаткам 34) канавки 35 на ведущем диске 21 с противоположной стороны валов 22 и 24, которые входят в плавающее зацепление с лопатками 34 ведомого диска 23, причем валы 22 и 24 рабочего органа 7 смонтированы в быстровращающихся опорах 16 и 17 корпуса 1, полый вал 22 снабжен внутренним шнеком-нагнетателем 36 и приводом в виде турбины 37, а соединение вращающегося полого вала 22 с подводящей жидкость неподвижной трубой 14 выполнено с помощью гидравлического затвора 38, включающего камеру 39 с подводящей жидкость трубкой 40 и лабиринтно-винтовым уплотнением 41, и сборник 42 жидкости с жидкость отводящей трубкой 43, внутри которого на полом валу 22 закреплен диск 44 отброса жидкости кроме этого, ведущий 21 и ведомый 23 диски рабочего органа 7 выполнены симметрично друг другу, а валы 22 и 24 имеют одинаковые наружные диаметры, причем все кольцевые сечения полости его от центра до периферии имеют равные проходные площади, а диски 21 и 23 связаны между собой при помощи торсионной тяги 45, и между ними расположен плавающий распорный элемент 46,опирающийся на рассекатель 47 ведомого диска 23 и используемый для закручивания потока жидкости и в качестве предвключенного пропеллерного (осевого) насоса. Работает описанный турбонасос следующим образом. Рабочее тело высокого давления подается по кольцевому трубопроводу 12 через сопла 13 на турбину 37, которая приводит во вращение рабочий орган 7, причем верхний 21 и нижний 23 элементы его ввиду наличия между ними плавающего зацепления работают без скольжения относительно друг друга перекачиваемая жидкость из внутренней полости неподвижной трубы 14 и гидрозатвора 38 поступает в полый вал 22 рабочего органа 7 на предвключенные шнек 36 и осевой насос 46, а из ее наружной полости через гидропровод 18, кольцевые заборные каналы 19 и 20 - на заборные черпакообразные выступы 32 и 33 и далее через наклонные отверстия 30 и 31 покрывных дисков 28 и 29 подводится к лопаткам 34 ведомого диска 23 среднего яруса и к ребрам-лопаткам 26 и 27 верхнего и нижнего ярусов рабочего органа 7, между которыми под действием центробежных сил жидкость перемещается от центра к периферии и выбрасывается в отводящие каналы направляющего аппарата 5 и кольцевую камеру 8 для сбора жидкости, где происходит преобразование энергии скоростного потока, приобретенной жидкостью, в давление. Полученная жидкость высокого давления подается потребителю на технологические нужды. 4 10864 1 2008.06.30 Гидрозатвор 38 препятствует попаданию рабочего тела турбины 37 в горловину рабочего органа 7, утечкам перекачиваемой жидкости в противоположном направлении с помощью дискового уплотнительного элемента 44 и винтового уплотнения 41 соответственно. Утечки перекачиваемой жидкости накапливаются внутри сборника жидкости 42 и отводятся по сливной гидролинии 42 в дренаж. Кроме того, гидрозатвор 38 может быть использован в качестве струйного устройства для улучшения кавитационных качеств турбонасоса и для подачи в него катализаторов, модификаторов, пластификаторов для придания перекачиваемой жидкости нужных свойств. Ввиду высокой прочности всех элементов устройства (все они могут быть выполнены кузнечно-штамповочными операциями) и возможности развивать рабочему органу 7 регулируемые в широком диапазоне высокие обороты, турбонасос создает необходимый напор перекачиваемой жидкости в широком диапазоне давлений. Благодаря наличию клинового разъемного кольца 9 все элементы турбонасоса соединяются быстро и надежно, а наличие наружной полости в подводящей жидкость спаренной неподвижной трубе 14 позволяет перекачивать различные жидкости одновременно. Источники информации 1. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / Под ред. В.М.Кудрявцева. - М. Высшая школа, 1975. - С. 469-470, 483-485, 496-503, 517. 2. Спасский К.Н., Шаумян В.В. Новые насосы для малых подач и высоких напоров. М. Машиностроение, 1973. - С. 4-12. 3. Долгачев Ф.М., Лейко В.С. Основы гидравлики и гидропривода. - М. Издательство по строительству, 1970. - С. 90-91. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5