RU2734396C1

RU2734396C1 - Two-stage centrifugal pump

Info

Publication number: RU2734396C1
Application number: RU2020102273A
Authority: RU
Inventors: Николай Игоревич Белоусов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва"
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-10-15

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in space equipment products thermal control systems. Two-stage centrifugal pump includes a housing installed in its cylindrical bore two bushings fixed relative to the housing and an insert installed between them. Pump shaft is installed inside the bush on bearings. Bearings are arranged in recesses of each bushing. Impeller impregnated on the shaft. Pump incorporates a cage arranged inside the cylindrical bore made in the insert and concentric to its outer surface, and a cover closing this bore from the butt end, which is rigidly attached to the insert. Bearings are fixed in cage inner cavity motionless relative to it. Cage is installed with a radial clearance relative to the cylindrical bore of the insert and with axial clearances between one of its butt end and the wall of the insert boring, as well as between its other butt end and the cover. Vibration isolators in radial and axial directions are installed between cage and insert with cover.

EFFECT: invention is aimed at noise reduction.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий космической техники, а также в других областях техники.The invention relates to mechanical engineering and can be used in thermal control systems for space technology products, as well as in other areas of technology.

Известен двухступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, размещенные в корпусе вал, установленный на подшипниках, две неподвижные относительно корпуса втулки, в выточках каждой из которых размещено одно из двух закрепленных на валу рабочих колес, выход первого из которых через переводной канал сообщен со входом второго рабочего колеса, и одно подвижное уплотнение, отделяющее жидкостную полость от подшипников вала насоса (В.В. Малюшенко, «Динамические насосы», атлас, М., «Машиностроение», 1984 г, стр. 68, рис. 113, лист 46). Недостатком этого двухступенчатого центробежного насоса является низкий ресурс, что вызвано значительными осевыми и радиальными усилиями на подшипники вала насоса.A two-stage centrifugal pump is known, containing a housing with inlet and outlet nozzles, a shaft mounted on bearings located in the housing, two bushings stationary relative to the housing, in the grooves of each of which one of two impellers fixed on the shaft is located, the exit of the first of which is through the transfer channel communicated with the inlet of the second impeller, and one movable seal separating the liquid cavity from the pump shaft bearings (VV Malyushenko, "Dynamic pumps", atlas, M., "Mechanical Engineering", 1984, p. 68, Fig. 113 , sheet 46). The disadvantage of this two-stage centrifugal pump is a low resource, which is caused by significant axial and radial forces on the pump shaft bearings.

Этого недостатка лишен двухступенчатый центробежный насос, выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленные в его цилиндрической расточке неподвижные относительно корпуса две втулки и размещенный между ними вкладыш, вал, установленный внутри вкладыша на подшипниках, размещенные в выточках каждой из втулок и закрепленные на валу рабочие колеса, выход первого из которых через переводной канал на наружной поверхности вкладыша сообщен со входом второго рабочего колеса (патент Российской федерации №2695869 по МПК: F04D 1/06, 2019 г.).This drawback is devoid of a two-stage centrifugal pump, selected as a prototype, containing a housing with inlet and outlet nozzles, two bushings installed in its cylindrical bore, two bushings fixed relative to the housing and a liner placed between them, a shaft installed inside the liner on bearings, placed in the grooves of each of the bushings and impellers fixed on the shaft, the exit of the first of which through the transfer channel on the outer surface of the liner communicates with the inlet of the second impeller (patent of the Russian Federation No. 2695869 according to IPC: F04D 1/06, 2019).

Недостатком этого двухступенчатого центробежного насоса является значительный уровень шума, вызванный передачей вибраций вала насоса на корпус и жестко присоединенные к нему трубопроводы системы терморегулирования. Вибрации вала насоса вызваны как пульсациями давления на лопатках рабочих колес, что вызывает циркуляционные радиальные нагрузки на подшипники вала, так и наличием дисбаланса вала с рабочими колесами. Передача этих вибраций через вкладыш на корпус насоса и присоединенные к нему трубопроводы вызывают звуковые колебания воздуха в герметичном отсеке космического летательного аппарата (КЛА). Указанный шум препятствует применению прототипа в герметичных отсеках КЛА из-за вредного воздействия на здоровье космонавтов.The disadvantage of this two-stage centrifugal pump is a significant noise level caused by the transmission of vibrations of the pump shaft to the housing and the pipelines of the thermal control system rigidly connected to it. Vibrations of the pump shaft are caused both by pressure pulsations on the impeller blades, which cause circulating radial loads on the shaft bearings, and by the imbalance between the shaft and the impellers. The transmission of these vibrations through the liner to the pump casing and the pipelines attached to it cause sound vibrations of the air in the pressurized compartment of the spacecraft. This noise prevents the use of the prototype in sealed spacecraft compartments due to the harmful effects on the health of astronauts.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является снижение шума.The technical result achieved with the claimed invention is noise reduction.

Этот результат достигается за счет того, что в известный двухступенчатый центробежный насос, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, установленные в его цилиндрической расточке неподвижные относительно корпуса две втулки и размещенный между ними вкладыш, вал, установленный внутри вкладыша на подшипниках, размещенные в выточках каждой из втулок и закрепленные на валу рабочие колеса, выход первого из которых через переводной канал на наружной поверхности вкладыша сообщен со входом второго рабочего колеса, согласно изобретению, введены обойма, размещенная внутри выполненной во вкладыше концентрично его наружной поверхности цилиндрической расточки, и закрывающая эту расточку с торца крышка, неподвижно присоединенная к вкладышу, подшипники установлены во внутренней полости обоймы неподвижно относительно нее, при этом обойма установлена с радиальным зазором относительно цилиндрической расточки вкладыша и с осевыми зазорами между одним своим торцом и стенкой расточки вкладыша, а также между другим своим торцом и крышкой, причем между обоймой и вкладышем с крышкой установлены виброизоляторы в радиальном и осевом направлениях.This result is achieved due to the fact that in the known two-stage centrifugal pump containing a housing with inlet and outlet nozzles installed in its cylindrical bore two bushings fixed relative to the housing and a liner placed between them, a shaft mounted inside the liner on bearings, placed in the grooves of each from the bushings and the impellers fixed on the shaft, the exit of the first of which through the transfer channel on the outer surface of the insert communicates with the inlet of the second impeller, according to the invention, a cage is introduced, placed inside a cylindrical bore concentrically in the liner, and closing this bore with the end face is a cover fixedly attached to the liner, the bearings are installed in the inner cavity of the cage stationary relative to it, while the cage is installed with a radial clearance relative to the cylindrical bore of the liner and with axial clearances between one of its end faces and the wall of the bore of the liner, and that also between its other end and the lid, and vibration isolators are installed in the radial and axial directions between the cage and the liner with the lid.

На чертеже приведен пример конкретного выполнения двухступенчатого центробежного насоса, продольный разрез.The drawing shows an example of a specific implementation of a two-stage centrifugal pump, longitudinal section.

Двухступенчатый центробежный насос содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В цилиндрической расточке 4 корпуса 1 установлены неподвижно относительно него две втулки 5 и 6 и размещенный между ними вкладыш 7. Насос снабжен обоймой 8, размещенной внутри выполненной во вкладыше 7 концентрично его наружной поверхности цилиндрической расточки 9, и закрывающей эту расточку с торца крышкой 10, неподвижно присоединенной к вкладышу 7 винтами 11. Во внутренней полости обоймы 8 неподвижно относительно нее установлены подшипники 12 (в данном примере конкретного исполнения завальцованы краями обоймы 8), в которых установлен вал 13 с закрепленными на нем рабочими колесами 14 и 15. Рабочие колеса 14 и 15 размещены в выточках 16 и 17 втулок 5 и 6 соответственно. Колеса 14 и 15 закреплены на валу 13 посредством гаек 18 и 19. Выход 20 первого колеса 14 через переводной канал 21 (условно показан штриховой линией) на наружной поверхности вкладыша 7 сообщен со входом 22 второго рабочего колеса 15. Во внутренней полости обоймы 8 между подшипниками 12 установлено с радиальным зазором по отношению к валу 13 кольцо 23. Сама обойма 8 установлена с радиальным зазором 5 относительно цилиндрической расточки 9 вкладыша 7 и с осевыми зазорами у между одним своим торцом 24 и стенкой 25 расточки 9 вкладыша 7, а также между другим своим торцом 26 и крышкой 10. Между обоймой 8 и вкладышем 7 с крышкой 10 установлены виброизоляторы 27 в радиальном и 28 в осевом направлениях. Виброизоляторы 27 и 28 выполнены в виде резиновых колец. Втулки 5 и 6 и вкладыш 7 выполнены с наружным диаметром, равным диаметру цилиндрической расточки 4 корпуса 1. Насос снабжен упором 29, поджимающей обе втулки 5 и 6 и размещенный между ними вкладыш 7 к торцу 30 цилиндрической расточки 17 корпуса 1. Неизменное угловое положение втулок 5 и 6 и вкладыша 7 относительно корпуса 1 обеспечивается посредством штифтов 31 и 32. Для соединения с приводным устройством (муфтой или электродвигателем, не показаны) вал 13 снабжен выступами 33. Рабочие колеса 14 и 15 установлены на валу 13 на шпонках 34 и 35 соответственно. Для приведения вала 13 во вращение одновременно с обеспечением внешней герметичности насоса могут быть использованы либо герметичная муфта вместе с приводным электродвигателем любого типа (не показаны), либо герметичный электродвигатель (например, типа БК-2 по ОСТ В 16 0.515.054-80, имеющий герметизирующую металлическую гильзу между ротором и статором) с муфтой (не показан).The two-stage centrifugal pump contains a housing 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles. In the cylindrical bore 4 of the housing 1, two bushings 5 and 6 are mounted immovably relative to it, and a liner 7 placed between them. The pump is equipped with a cage 8 located inside a cylindrical bore 9, made concentrically in the liner 7, and covering this bore from the end with a cover 10, fixedly attached to the liner 7 by screws 11. In the inner cavity of the cage 8, bearings 12 are fixedly relative to it (in this example of a particular design, they are rolled by the edges of the cage 8), in which a shaft 13 is installed with impellers 14 and 15 fixed to it. Impellers 14 and 15 are placed in grooves 16 and 17 of bushings 5 and 6, respectively. Wheels 14 and 15 are fixed on the shaft 13 by means of nuts 18 and 19. The outlet 20 of the first wheel 14 through the transfer channel 21 (conventionally shown by a dashed line) on the outer surface of the liner 7 communicates with the inlet 22 of the second impeller 15. In the inner cavity of the cage 8 between the bearings 12 is installed with a radial clearance in relation to the shaft 13 of the ring 23. The cage 8 itself is installed with a radial clearance 5 relative to the cylindrical bore 9 of the liner 7 and with axial clearances between one of its end face 24 and the wall 25 of the bore 9 of the liner 7, as well as between its other end 26 and cover 10. Between the cage 8 and the insert 7 with the cover 10 vibration isolators 27 are installed in the radial and 28 in the axial directions. Vibration isolators 27 and 28 are made in the form of rubber rings. Bushings 5 and 6 and liner 7 are made with an outer diameter equal to the diameter of the cylindrical bore 4 of the housing 1. The pump is equipped with a stop 29, which presses both bushings 5 and 6 and the liner 7 placed between them to the end 30 of the cylindrical bore 17 of the housing 1. Constant angular position of the bushings 5 and 6 and the insert 7 relative to the housing 1 is provided by means of pins 31 and 32. For connection with a drive device (a clutch or an electric motor, not shown), the shaft 13 is provided with projections 33. Impellers 14 and 15 are mounted on the shaft 13 on keys 34 and 35, respectively ... To drive the shaft 13 into rotation, simultaneously with ensuring the external tightness of the pump, either a sealed coupling can be used together with a drive electric motor of any type (not shown), or a sealed electric motor (for example, type BK-2 according to OST V 16 0.515.054-80, having a sealing metal sleeve between the rotor and stator) with a coupling (not shown).

Двухступенчатый центробежный насос работает следующим образом: при вращении от приводного устройства (не показано) вала 13 в подшипниках 12 он через шпонки 34 и 35 приводит во вращение рабочие колеса 14 и 15. Рабочее колесо 14 перекачивает жидкость от патрубка 2 через выход 20 первого колеса 14, переводной канал 21 на вход 22 рабочего колеса 15. Рабочее колесо 15 перекачивает жидкость от своего входа в патрубок 3. Кольцо 23, размещенное между подшипниками 12, снижает перетечки рабочей жидкости от колеса 15 к колесу 14 за счет малого зазора между внутренним диаметром кольца 23 и наружным диаметром вала 13. При этом вибрации вала 13, вызванные пульсациями давления на лопатках рабочих колес 14 и 15 и наличием дисбаланса вала 13 с рабочими колесами 14 и 15 через подшипники 12 передаются на обойму 8, а далее через виброизоляторы 27 и 28 - на вкладыш 7 и крышку 10, и далее - на корпус 1. При этом значительная часть энергии колебаний обоймы 8 поглощается виброизоляторами 27 и 28. Механика работы виброизоляторов, их конструкции и методы расчета достаточно известны в технике (см., например, Ляпунов В.Т., Лавендел Э.Э., Шляпочников С.А., Резиновые виброизоляторы: Справочник: - Л.: Судостроение, 1988 г.). Соответственно, на вкладыш 7 и крышку 10, и далее - на корпус 1 вибрации передаются существенно ослабленными, что приводит к снижению вызываемых колебаниями корпуса 1 акустических колебаний окружающего воздуха, т.е. воспринимаемого космонавтами шума. Зазоры 8 и у служат ограничителями перемещения обоймы 8, чтобы предотвратить возможное касание вращающимися рабочими колесами 14 и 15 неподвижных втулок 5 и 6, вкладыша 7 и крышки 10. Их величина определяется методами обычного проектирования. Но, как показывает практика, осевые смещения вала при работе практически отсутствуют (поскольку нагрузки от дисбаланса направлены радиально), а радиальные смещения обоймы 8 уравновешиваются при радиальных деформациях виброизоляторов 28 порядка 0,1 мм.The two-stage centrifugal pump works as follows: when rotating from the drive device (not shown) of the shaft 13 in the bearings 12, it drives the impellers 14 and 15 into rotation through the keys 34 and 35. The impeller 14 pumps liquid from the nozzle 2 through the outlet 20 of the first wheel 14 , the transfer channel 21 to the inlet 22 of the impeller 15. The impeller 15 pumps liquid from its inlet to the branch pipe 3. The ring 23, located between the bearings 12, reduces the flow of the working fluid from the wheel 15 to the wheel 14 due to the small gap between the inner diameter of the ring 23 and the outer diameter of the shaft 13. In this case, the vibrations of the shaft 13 caused by pressure pulsations on the blades of the impellers 14 and 15 and the presence of an imbalance of the shaft 13 with the impellers 14 and 15 are transmitted through the bearings 12 to the cage 8, and then through the vibration isolators 27 and 28 to liner 7 and cover 10, and then on to body 1. In this case, a significant part of the vibration energy of the holder 8 is absorbed by vibration isolators 27 and 28. The origin of vibration isolators, their designs and calculation methods are well known in technology (see, for example, V.T. Lyapunov, E.E. Lavendel, S.A. Shlyapochnikov, Rubber vibration isolators: Handbook: - L .: Shipbuilding, 1988 ). Accordingly, vibrations are transmitted significantly weakened to the insert 7 and the cover 10, and then to the housing 1, which leads to a decrease in the acoustic vibrations of the ambient air caused by the vibrations of the housing 1, i.e. the noise perceived by astronauts. The gaps 8 and y serve as limiters for the movement of the cage 8 to prevent the rotating impellers 14 and 15 from touching the stationary bushings 5 and 6, the liner 7 and the cover 10. Their value is determined by conventional design methods. But, as practice shows, there are practically no axial displacements of the shaft during operation (since the loads from the unbalance are directed radially), and the radial displacements of the cage 8 are balanced with radial deformations of vibration isolators 28 of the order of 0.1 mm.

В результате использования изобретения существенно снижается шум, излучаемый корпусом 1 насоса, за счет поглощения значительной части энергии вибраций обоймы 8 с валом 13 и рабочими колесами 14 и 15 виброизоляторами 27 и 28. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к использованию в агрегатах обитаемых отсеков космической техники.As a result of using the invention, the noise emitted by the pump casing 1 is significantly reduced, due to the absorption of a significant part of the vibration energy of the cage 8 with the shaft 13 and impellers 14 and 15 vibration isolators 27 and 28. These advantages make it possible to recommend the claimed invention for use in units of habitable compartments of space technology ...

Claims

A two-stage centrifugal pump containing a housing with inlet and outlet nozzles, two bushings installed in its cylindrical bore, two bushings fixed relative to the body and a liner placed between them, a shaft mounted inside the liner on bearings, located in the grooves of each of the bushings and impellers fixed to the shaft, output the first of which, through a transfer channel on the outer surface of the liner, is communicated with the inlet of the second impeller, characterized in that a cage is inserted into it, placed inside a cylindrical bore made in the liner concentrically to its outer surface, and a cover that closes this bore from the end, fixedly attached to the liner , the bearings are installed in the inner cavity of the cage immovably relative to it, while the cage is installed with a radial clearance relative to the cylindrical bore of the liner and with axial clearances between one end of its end and the wall of the bore of the liner, as well as between its other end and the cover, and between Vibration isolators are installed in the radial and axial directions with the cage and insert with a cover.