НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04F1/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и насосостроению и может найти широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Известен, отличающийся большей простотой и долговечностью жидкостно-кольцевой компрессор, который представляет собой ротор лопастного типа, эксцентрично расположенный в цилиндрическом корпусе. Цилиндрический корпус частично заполнен жидкостью. Жидкость под действием лопастей вращается относительно корпуса с постоянной угловой скоростью, образуя жидкостное кольцо, внутренняя поверхность которого имеет различные расстояния от оси ротора. Поэтому объемы газа между лопастями и жидкостным кольцом изменяются в течении оборота вала ротора, и таким образом, осуществляется процесс всасывания и нагнетания газа [1]
Недостаток жидкостно-кольцевых компрессоров низкое давление нагнетания и большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в компрессоре [2]
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является насос, в котором осуществляется способ подачи топливного компонента ракетного двигателя, заключающийся в том, что баллон со сжатым газом при помощи трубопровода подключен к топливному баку. В нужный момент газ из баллона поступает в топливный бак, и своим давлением вытесняет топливо из бака в камеру сгорания ракетного двигателя [3]
Недостаток данного решения следующий: для получения газа под определенным давлением, который должен находиться в баллоне, нужен, в свою очередь, компрессор, а жидкость будет играть роль поршня. Все это усложняет устройство компрессора и снижает его эффективность.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, такое конструктивное исполнение, при котором насос (или компрессор) будет иметь высокую эффективность и простоту конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что имеется вторая емкость, частично заполненная жидкостью, а частично газом; к той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен насос любого типа, например, центробежный, выход из насоса подключен ко второй емкости (к любой ее части); имеется золотник с камерой, образованной внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен; золотник может совершать возвратно-поступательные перемещения и поочередно и периодически сообщаться своей камерой как с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью, так и с той частью первой емкости, которая заполнена газом.

Таким образом, насосом из первой емкости во вторую емкость непрерывно подается жидкость. При помощи камеры золотника из первой емкости во вторую емкость периодически поступает определенный объем газа. Из второй емкости при помощи камеры золотника периодически в первую емкость поступает определенный объем жидкости. Следовательно, во второй емкости периодически будет происходить колебание уровня поверхности жидкости (т.е. объем, занимаемый газом во второй емкости, будет периодически изменяться). Это колебание уровня поверхности жидкости во второй емкости и будет использоваться для сжатия поступающего из первой емкости во вторую емкость газа, который через выходной канал из второй емкости поступает потребителю.

На фиг. 1 показан момент работы насоса-компрессора, когда камера золотника заполнена жидкостью и соединена со второй емкостью; на фиг. 2 - момент работы насоса-компрессора, когда камера золотника заполнена жидкостью и изолирована как от второй емкости 5, так и от первой емкости; на фиг. 3 - момент работы насоса-компрессора, когда камера золотника заполнена жидкостью и соединена с первой емкостью; на фиг. 4 момент работы насоса-компрессора, когда камера золотника заполнена газом и изолирована как от первой емкости, так и от второй емкости; на фиг. 5 момент работы насоса-компрессора, когда камера золотника заполнена газом и соединена со второй емкостью.

Насос-компрессор содержит первую емкость 1 с жидкостью 2, насос 3, трубопровод 4, вторую емкость 5 с жидкостью 6, входной канал 7, выходной канал 8, клапан 9, золотник 10 со штоком 11 и камерой 12.

Изобретение в варианте компрессора представляет из себя следующее.

Имеется первая емкость, частично заполненная жидкостью 2, а частично-газом. К той части первой емкости 1, которая заполнена жидкостью 2, подключен насос 3 любого типа, например, центробежный. К выходу из насоса 3 подключен трубопровод 4, другой конец которого подключен ко второй емкости 5, частично заполненной жидкостью 6, а частично газом (может быть подключен к любой части второй емкости 5). К той части первой емкости 1, которая заполнена газом, подключен входной канал 7 (однако он может быть подключен и к любой другой части первой емкости 1), другой конец которого подключен к внешнему источнику газа. К той части второй емкости 5, которая заполнена газом, подключен выходной канал 8, другой конец которого подключен к потребителю газа. При этом между той частью второй емкости 5, которая заполнена газом, и выходным каналом 8 установлен клапан 9, отрегулированный на определенное давление.

Имеется также золотник 10, состоящий из двух цилиндрических деталей равного диаметра, соединенных между собой цилиндрическим штоком 11, имеющим меньший диаметр, чем обе половины золотника 10. Внешние поверхности золотника 10 и штока 11 и внутренняя поверхность корпуса, в котором золотник 10 установлен (т. е. стенки первой емкости 1), образуют камеру 12 вполне определенного объема. Поверхность жидкости 2 в первой емкости 1 находится на уровне ниже, чем уровень, на котором находится поверхность жидкости 6 во второй емкости 5.

Золотник 10 может совершать периодически возвратно-поступательные перемещения, а его камера 12 может поочередно сообщаться то с первой емкостью 1 (с той ее частью, которая заполнена газом), то со второй емкостью 5 (с той ее частью, которая заполнена жидкостью).

В варианте компрессора заявляемое решение работает следующим образом.

Вторая емкость 5 частично заполнена жидкостью 6, а частично газом. Камера 12 золотника 10 сообщена с той частью второй емкости 5, которая заполнена жидкостью 6, а, следовательно, и камера 12 заполнена жидкостью 6. Та часть второй емкости 5, которая заполнена газом, при помощи клапана 9 (клапан 9 закрыт) изолирована от выходного канала 8 (а следовательно, и от потребителя газа). Из первой емкости 1 при помощи насоса 3 и через трубопровод 4 во вторую емкость 5 непрерывно поступает жидкость (жидкость 2 в первой емкости 1 и жидкость 6 во второй емкости 5 одна и та же). Так как клапан 9 закрыт, а жидкость из первой емкости 1 непрерывно поступает через насос 3 и трубопровод 4 во второю емкость 5, то, следовательно, уровень поверхности будет повышатся, а объем, занимаемый газом во второй емкости 5, будет уменьшатся, то есть, происходит процесс сжатия газа (повышения давления газа).

В следующий момент времени золотник 10 с камерой 12, заполненной жидкостью 6, начинает перемещатся от второй емкости 5 к первой емкости 1 (под действием привода любого типа механического, гидравлического и др.). При этом золотник 10 и камера 12 имеют такую форму, что на них практически не действует давление жидкости во второй емкости 5 и давление газа в первой емкости 1. К золотнику 10 с камерой 12 нужно будет прикладывать силу, обусловленную инерционной массой золотника 10 и газа или жидкости, находящейся в камере 12, а также силами трения, возникающими в зоне контакта золотника 10 с корпусом, в котором золотник 10 установлен. В определенный момент времени камера 12, заполненная жидкостью 6, изолируется от второй емкости 5 (за счет выбранной формы золотника 10 и камеры 12). В этот момент времени 12 также изолирована от первой емкости 1. Во второй емкости 5 все это время идет процесс сжатия газа (так как во вторую емкость 5 непрерывно поступает жидкость из первой емкости 1, нагнетаемая насосом 3).

При дальнейшем движении золотника 10 в направлении первой емкости 1 он своей камерой 12, заполненной жидкостью 6, сообщает с той частью первой емкости 1, которая заполнена газом (фиг.3). Жидкость 6 под действием гравитационной силы (силы тяжести) вытекает из камеры 12 в первую емкость 1 и далее жидкость поступает на вход в насос 3 и по трубопроводу 4 во вторую емкость 5 (цикл, таким образом, замыкается). Одновременно камера 12 заполняется газом из первой емкости 1. Во второй емкости 5 давление газа достигло такой величины что срабатывает клапан 9, и сжатый газ из второй емкости 5 начинает поступать в выходной канал 8 и далее потребителю.

В следующий момент времени золотник 10 с камерой 12, заполненной газом, начинает перемещаться от первой емкости 1 ко второй емкости 5. В определенный момент времени камера 12, заполненная газом, изолируется от первой емкости 1 (фиг. 4). В этот момент времени камера 12 также изолирована от второй емкости 5. Во второй емкости 5 в это время продолжается процесс вытеснения сжатого газа из второй емкости 5 в выходной канал 8 и далее потребителю (клапан 9 открыт).

В следующий момент времени золотник 10 продолжает перемещаться в направлении второй емкости 5 и в определенный момент времени камера 12, заполненная газом, сообщается с той частью второй емкости 5, которая заполнена жидкостью 6 (фиг. 5). Газ из камеры 12 под действием архимедовой силы поднимается на поверхность жидкости 6. Одновременно с этим камера 12 заполняется жидкостью 6 из второй емкости 5, при этом ее уровень понижается. Но так как давление газа, поступившего из камеры 12 во вторую емкость 5 меньше, чем давление газа во второй емкости 5 (так как давление газа в первой емкости 1 меньше, чем давление газа во второй емкости 5), следовательно, давление газа во второй емкости 5 уменьшается, причем настолько, что клапан 9 закроется, и вторая емкость 5 изолируется от выходного канала 8, а, следовательно, от потребителя газа. Когда камера 12 сообщена с какой-либо емкостью, она изолирована от другой емкости.

В следующий момент времени во второй емкости 5 объем занимаемый газом будет уменьшаться, а, следовательно, его давление будет повышаться (так как во вторую емкость 5 из первой емкости 1 насосом 3 через трубопровод 4 непрерывно подается жидкость). В дальнейшем золотник 10 с камерой 12, заполненной жидкостью 6, начинает перемещаться от второй емкости 5 в сторону первой емкости 1. В дальнейшем все периодически повторяется.

Таким образом, во второй емкости 5 периодически происходит колебание уровня поверхности жидкости 6, а следовательно, будет периодически изменяться объем, занимаемый газом во второй емкости 5. Это колебание уровня поверхности жидкости 6 и используется для протекания периодических процессов сжатия газа.

Требуемое положение жидкостей и газа в обеих емкостях может быть создано как действием на жидкость и газ гравитационной силы, так и действием центробежной силы. В последнем случае вся установка должна быть выполнена вращающейся вокруг некоторой оси с определенной угловой скоростью. Причем емкости с жидкостями должны быть расположены на некотором расстоянии от оси вращения установки.

Заявляемое решение может быть использовано и в варианте насоса, служащего для подачи жидкости, при этом нагнетаемая жидкость должна иметь меньшую плотность, чем жидкость, проходящая через насос 3 и трубопровод 4 (циркуляционная жидкость). Нагнетаемая жидкость из первой емкости 1 поступает во вторую емкость 5 при помощи камеры 12. При сообщении камеры 12, заполненной нагнетаемой жидкостью, с той частью второй емкости 5, которая заполнена циркуляционной жидкостью 6, нагнетаемая жидкость под действием архимедовой силы поднимается на поверхность циркуляционной жидкости 6, и далее через выходной канал 8 (клапана 9 в этом варианте исполнения не будет) поступает потребителю. В первую емкость 1 нагнетаемая жидкость поступает от внешнего источника через входной канал 7 и находится на поверхности жидкости 2. Камера 12 при сообщении с первой емкостью 1 сообщается с той ее частью, которая заполнена нагнетаемой жидкостью. В остальном работа в этом варианте исполнения аналогична работе, рассмотренной выше в варианте компрессора.

Золотник 10 может иметь любую приемлемую форму (не только цилиндрическую).

В заявляемом решении золотник 10 с камерой 12 может совершать любое периодически повторяющееся движение (возвратно-поступательное, вращательное и др. ). Однако непременным условием является то, что камера 12 золотника 10 периодически соединяется как с первой емкостью 1, так и со второй емкостью 5.

Камера 12 может быть образована как внешней поверхностью золотника 10 и внутренней поверхностью корпуса, в которой золотник 10 установлен, так и только внутренней поверхностью золотника 10, или любым иным образом.

Трубопровод 4 может быть подключен как к той части второй емкости 5, которая заполнена жидкостью 6, так и к той части второй емкости 5, которая заполнена газом. В последнем случае жидкость при поступлении из трубопровода 4 во вторую емкость 5 может распыляться (любым возможным образом), что будет способствовать охлаждению снимаемого газа и приближению тем самым процесса сжатия газа к изотермическому.

В качестве текучей среды, поступающей из первой емкости 1 через насос 3 и трубопровод 4 во вторую емкость 5, может быть использована любая текучая среда (жидкость, мелкодисперсное твердое тело и др.). В качестве нагнетаемой текучей среды может быть использована любая текучая среда (газ, жидкость и др. ), имеющая меньшую плотность, чем текучая среда, поступающая из первой емкости 1 во вторую емкость 5 через насос 3 и трубопровод 4.

Поверхность жидкости 2 в первой емкости 1 может находиться на уровне и/или ниже, или выше, или на одном уровне, с уровнем поверхности жидкости 6 во второй емкости 5. Входной канал 7 может быть подключен как к той части первой емкости 1, которая заполнена газом, так и к той части первой емкости 1, которая заполнена жидкостью 2.

Выбором расхода текучей среды из первой емкости 1 во вторую емкость 5, проходящей через насос 3 и трубопровод 4, выбором частоты перемещения камеры 12 золотника 10 между первой емкостью 1 и второй емкостью 5, а также выбором объема камеры 12, можно регулировать степень сжатия газа во второй емкости 5 и регулировать производительность компрессора.

Трубопровода 4 может и не быть. В этом случае выход из насоса 3 подключен непосредственно ко второй емкости 5.

Вход в насос 3 может быть подключен как к первой емкости 1, так и к любому иному источнику жидкости (текучей среды, имеющей большую плотность). В последнем случае жидкость 2 из первой емкости 1 должна поступать иному внешнему потребителю.

Возможен вариант исполнения заявляемого решения при использовании его в системе ожижения газа, когда выходного канала 8 и клапана 9 не будет, а жидкости 2 и 6 будут представлять из себя сжиженный газ. В этом варианте исполнения газ, поступающий из первой емкости 1 во вторую емкость 5, будет сжиматься, и от него при этом отводится теплота. Это можно осуществлять распылителем поступающей во вторую емкость 5 жидкости, нагнетаемой насосом 3. Сама эта жидкость перед поступлением во вторую емкость 5 должна охлаждаться в теплообменнике до заданной температуры. Таким образом, поступающий во вторую емкость 5 газ в ней ожижается, и затем уже в сжиженном виде при помощи камеры 12 золотника 10 вновь поступает в первую емкость 1 и далее потребителю.

Использование: в насосостроении. Сущность изобретения: насос имеет две емкости, каждая из которых частично заполнена жидкостью а частично - газом. Имеется также золотник с камерой, образованной внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен. Золотник может совершать возвратно-поступательные перемещения и сообщаться периодически и поочередно с той частью первой емкости, которая заполнена газом, и с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью. К той части первой емкости, которая заполнена газом, подключен трубопровод, другой конец которого подключен к внешнему источнику газа. К той части второй емкости, которая заполнена газом, подключен трубопровод, другой конец которого подключен к потребителю газа. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Насос, имеющий первую емкость, заполненную двумя видами текучих сред, имеющих разные плотности, отличающийся тем, что имеется вторая емкость, заполненная теми же двумя видами текучих сред, что и первая емкость, к первой емкости подключен источник текучей среды, имеющей меньшую плотность, имеется также золотник любой приемлемой формы с камерой, образованной и/или внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен, или только внутренней поверхностью золотника, или любым иным образом, золотник может совершать любое периодически повторяющееся движение, например возвратно-поступательное, камера золотника периодически и поочередно может сообщаться как с той частью первой емкости, которая заполнена текучей средой, имеющей меньшую плотность, так и с той частью второй емкости, которая заполнена текучей средой, имеющей большую плотность, к второй емкости подключен выход из насоса любого типа, например центробежного, вход в насос подключен и/или к той части первой емкости, которая заполнена текучей средой, имеющей большую плотность, или к иному источнику текучей среды, имеющей большую плотность. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что к той части второй емкости, которая заполнена текучей средой, имеющей меньшую плотность, подключен потребитель текучей среды, имеющей меньшую плотность.