ГИДРОПРИВОДНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F04B43/06 

Изобретение относится к области насосостроения и может найти применение в различных отраслях промышленности и особенно там, где требуется перекачивать такую среду, как нефтепродукты, растворы щелочей, кислоты, в химических, пожаровзрывоопасных и других опасных производствах, обеспечивать герметичность перекачиваемой среды и выносить привод насоса из технологически опасной зоны.

Известны гидроприводные насосные агрегаты, содержащие насос подачи рабочей среды, основной реверсируемый и пилотный гидрораспределители, приводной гидроцилиндр реверсируемого гидрораспределителя, управляющий гидроцилиндр, регуляторы расхода, перекачивающие блоки с гибкими разделителями в виде мембран, диафрагм или сильфонов, отделяющими нагнетательные камеры перекачиваемой среды от гидроприводных камер рабочей среды, которые соединены через реверсируемое гидрораспределительное устройство с насосом подачи рабочей среды, регуляторы расхода присоединены с одной стороны к выходным гидролиниям реверсируемого гидрораспределителя, а с другой стороны - к камерам управляющего гидроцилиндра, шток которого соединен с приводом пилотного гидрораспределителя, сообщающегося выходными гидролиниями со входом и выходом насоса подачи рабочей среды, а выходными гидролиниями - с камерами приводного гидроцилиндрами [1]. Недостатками указанных насосных агрегатов являются их конструктивная и функциональная сложность, низкая эксплуатационная надежность.

Известны также гидроприводные насосные агрегаты, содержащие насоса подачи рабочей среды, распределительное устройство, приводные гидроцилиндры, перекачивающие блоки с гибкими разделителями, отделяющие нагнетательные камеры перекачиваемой среды от гидроприводных камер рабочей среды, трехходовой золотниковый распределитель, клапаны рабочие перекачиваемой среды, демпфирующие и обратные клапаны, возвратно-поступательное перемещение гибких разделителей осуществляется от насоса подачи рабочей среды через гидрораспределитель, приводные гидроцилиндры и поршень образует гидропульсатор рабочей среды, а для синхронизации работы механических и гидравлических узлов применены трехходовой золотниковый распределитель, демпфирующие и обратные клапаны [2].

Недостатком таких насосных агрегатов является то, что в них применена сложная конструкция перекачивающего блока, содержащая большое количество деталей, достаточно сложная гидромеханическая схема преобразования и распределения непрерывного потока от насоса подачи рабочей среды в периодический пульсирующий поток рабочей среды, подаваемый в гидроприводные камеры, применение силовых гидроцилиндров, поршней, золотников, механических передач приводит к утечкам рабочей среды, а это требует введение узла компенсации утечки сложной конструкции, что понижает надежность работы.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности работы и расширение области применения, особенно во взрыво-пожароопасных, химически и экологически опасных производствах, где требуется удаление перекачивающих блоков насосного агрегата от его приводной части. Прототипом предлагаемого изобретения является насос, описанный в [2].

Для достижения указанных технических результатов в варианте 1 гидроприводной насосный агрегат, содержащий насос подачи рабочей среды, перекачивающий блок с нагнетательной и гидроприводной камерами, разделенными между собой мембраной, в котором нагнетательная камера соединена через всасывающий клапан с входным коллектором перекачивающей среды и через нагнетательный клапан с выходным коллектором перекачивающей среды, а гидроприводная камера соединена с выходом из гидропульсатора рабочей среды, вход в которую соединен с выходом из насоса подачи рабочей среды, в насосный агрегат дополнительно введен гидромотор, гидропульсатор выполнен в виде ротора, установленного в статоре с возможностью вращения, заодно целое выполнен рабочий венец гидромотора, в статоре выполнены три симметричных, расположенных через 120^o по окружности, отверстия соединенные с гидроприводными камерами трех перекачивающих блоков, в роторе выполнены два диаметрально расположенных дугообразных паза, разделенных перемычками, выполненными с возможностью поочередного соединения через отверстия в статоре с гидроприводными камерами трех перекачивающих блоков при вращении ротора, причем один дугообразный паз через продольный канал по образующей ротора, кольцевую канавку ротора соединен с выходом из гидромотора, а второй дугообразный паз через радиальный и осевой каналы в роторе соединен со входом в насос подачи рабочей среды, вход которого соединен со входом в гидромотор вращения ротора гидропульсатора.

В варианте 2 в гидроприводной насосный агрегат, содержащий насос подачи рабочей среды, перекачивающий блок с нагнетательной и гидроприводной камерами, разделенными между собой мембраной, в котором нагнетательная камера соединена через всасывающий клапан с входным коллектором перекачиваемой среды и через нагнетательный клапан с выходным коллектором перекачиваемой среды, а гидроприводная камера соединена с выходом из гидропульсатора рабочей среды, вход в который соединен с выходом из насоса рабочей среды, вход в который соединен с выходом из насоса рабочей среды, дополнительно введен гидромотор, гидропульсатор выполнен в виде ротора, установленного в статоре с возможностью вращения, заодно целое выполнен рабочий венец гидромотора в виде сдвоенных лопаток и двух кольцевых канавок по обеим сторонам венца, с возможностью разделения входного потока рабочей среды на лопатках на две части и направления каждой части в свою кольцевую канавку, параллельно кольцевым канавкам ротора выполнены две секции распределения рабочей среды, содержащие по два диаметрально расположенных дугообразных паза, разделенных между собой перемычками, по три симметричных, расположенных через 120^o по окружности отверстия в статоре, выполненные с возможностью поочередного соединения соответствующих трех отверстий статора с каждой парой дугообразных пазов ротора при вращении последнего с гидроприводными камерами перекачивающих блоков, причем дугообразный нагнетательный паз каждой секции соединен с соответствующей кольцевой канавкой, а дугообразный сливной паз каждой секции - через радиальные каналы, осевой канал и отверстие в крышке статора соединены со входом в насос подачи рабочей среды, выход из которого соединен со входом в гидромотор привода ротора гидропульсатора, секции распределения рабочей среды расположены таким образом, что нагнетательный паз и отверстие в статоре одной секции развернуты на 180^o относительно нагнетательного паза и отверстий в статоре другой секции, а противоположные отверстия секций статора соединены попарно с соответствующими гидроприводными камерами перекачивающих блоков, кроме того, перекачивающие блоки выполнены из двух отдельных гидроприводных камер, разделенных мембранами от единой нагнетательной камеры, причем гидроприводные камеры каждого перекачивающего блока соединены попарно с соответствующими отверстиями секции распределения рабочей среды.

В варианте 1 на фиг. 1 представлена схема насосного агрегата; на фиг. 2 - конструкция гидропульсатора, совмещенная с перекачивающими блоками насосного агрегата; на фиг. 3, 4, 5 - сечения гидропульсатора насосного агрегата, показывающие конструктивные особенности и поясняющие его работу.

Насосный агрегат включает в себя следующие основные узлы: насос 1 с регулируемой подачей рабочей среды, гидропульсатор 2, три перекачивающих блока 3, гидробак 4, гидролинии 5, 6, 7, 8, 9.

Гидропульсатор 2 состоит из ротора 10, статора 11, подшипников 12, центробежной крыльчатки 13 откачивающего насоса, крышек 14, 15, элементов уплотнения 16, элементов крепления крышек 14, 15. Ротор 10 представляет собой цилиндр, на концах которого выполнены посадочные поверхности для подшипников 12 и для колеса 13. Заодно целое с ротором 10 выполнен рабочий венец 17 с лопатками гидромотора. Межлопаточные каналы соединены с кольцевой канавкой 18, которая по продольному каналу 19 сообщается с распределительной секцией, состоящей из двух диаметрально расположенных дугообразных пазов 20 и 21, разделенных между собой перемычками 22. Один паз 20 - нагнетательный, другой паз 21 - сливной. Нагнетательный паз 20 сообщается с каналом 19. Сливной канал 21 сообщается через радиальное отверстие 23 с осевым каналом 24. С одного торца ротора в осевой канал 24 запрессована центробежная крыльчатка 13, с другого торца выполнено отверстие 25, выходящее в канал 24. Статор 11 представляет собой полый цилиндр, на торцах которого выполнены посадочные поверхности для подшипников 12 и крышек 14, 15. В плоскости расположения рабочего венца 17, ротора 10 в статоре выполнено отверстие 26 со штуцером 27 подвода рабочей жидкости. Цилиндрическая поверхность отверстия 26 проходит по касательной линии к внутренней поверхности цилиндра статора.

В плоскости, проходящей через ось симметрии дугообразных пазов 20 и 21, выполнены три сквозных отверстия 28, расположенных через 120^o по окружности.

На внешней поверхности статора 11 по окружности через 120^o размещены три перекачивающих блока 3. Каждый перекачивающий блок 3 состоит из корпуса 29, мембраны 30, обратных клапанов 31 и 32. Мембрана 30 зажата между корпусом 29 и криволинейной поверхностью статора 11 таким образом, что образуют герметично разделенные между собой камеры, с одной стороны мембраны 30 гидроприводную камеру 33, с другой стороны - нагнетательную камеру 34 перекачиваемой среды.

Насосный агрегат по варианту 1 работает следующим образом. Рабочая среда, например масло, из гидробака 4 по гидролинии 6 поступает в насос 1. Насос 1 создает непрерывный поток масла высокого давления, который поступает по гидролинии 7 во входной штуцер 27 гидропульсатора 2.

В гидропульсаторе 2 непрерывный поток масла преобразуется в пульсирующий и распределяется в перекачивающие блоки 3. Принцип работы гидропульсатора 2 заключается в следующем. Масло под давлением из штуцера 27 через отверстие 26 поступает в гидромотор, рабочий венец 17 которого выполнен в виде лопаток. Поток масла воздействует на лопатки и с их помощью приводит во вращение ротор 10. Из межлопаточных каналов поток масла направляется в кольцевую канавку 18, из которой через продольный канал 19 поступает в нагнетательный паз 20 распределительной секции. Паз 20 с двух сторон отделен от паза 21 продольными перемычками 22 и с третьей стороны цилиндрической поверхностью статора 11, поэтому в нем поддерживается высокое давление масла. Паз 21 через радиальное отверстие 23, осевой канал 24, крыльчатку 13 и штуцер 35 постоянно соединен со сливной гидролинией 5, поэтому в нем создается низкое давление масла. Центробежная крыльчатка 13 способствует в сливе масла. Длина дуги паза 20 выбрана такой, что при вращении ротора паз 20 последовательно сообщается только с одним из отверстий 28 статора 11. Длина дуги паза 21 больше длины дуги паза 20 на величину длины двух перемычек 22.

Величина дуги перемычки 22 выбирается из условия, при котором пазы 20 и 21 при вращении ротора не сообщаются между собой через отверстие 28. При вращении ротора пазы 20 и 21 последовательно друг за другом через отверстие 28 сообщаются с гидроприводными камерами 33, при этом когда сообщается паз 20, происходит нагнетание масла в камеру 33, а когда сообщается паз 21, происходит слив масла из камеры 33 по гидролинии 5 в гидробак 4.

Работа перекачивающих блоков 3 заключатся в последовательно повторяющихся циклах: заполнение каждой нагнетательной камеры 34 перекачиваемой средой из входного коллектора 8 через обратный всасывающий клапан 31 и вытеснение ее через обратный нагнетательный клапан 32 в выходной коллектор 9 под воздействием давления масла в камере через мембраны 30. За время одного оборота ротора 10 происходит последовательно по одному циклу всасывания - нагнетания каждым перекачивающим блоком. Как вариант, перекачивающие блоки 3 размещены непосредственно на статоре 10.

При необходимости перекачивающие блоки 3 могут быть удалены от гидропульсатора, в этом случае подачу и слив масла из гидроприводной камеры 33 необходимо осуществить по дополнительным гидролиниям. Регулирование производительности перекачиваемой среды насосного агрегата осуществляется путем изменения подачи насоса 1.

Предложенная схема и конструкция насосного агрегата позволяют разместить насос 1 с электроприводом в безопасной зоне на значительном удалении от нагнетательной части-гидропульсатора 2 и перекачивающих блоков 3, которые ввиду их конструкции могут размещаться в технологически опасной зоне. При этом связь между ними практически не ограничена по расстоянию и осуществляется только двумя трубопроводами. Предложенная конструкция гидропульсатора не требует специального привода, так как вращение ротора осуществляется за счет незначительной части энергии потока масла и имеет минимальное количество простых вращающихся деталей, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность его работы.

Модульность построения насосного агрегата существенно улучшает его эксплуатационные показатели и возможности совершенствования конструкции путем замены основных узлов и агрегатов.

В варианте 2 на фиг. 6 представлена схема насосного агрегата; на фиг. 7, 8, 9, 10 - сечения гидропульсатора, показывающие конструктивные особенности и поясняющие его работу; на фиг. 11 - конструкция перекачивающего блока.

Насосный агрегат включает следующие основные узлы: насос 1 с регулируемой подачей рабочей среды, фильтр 2, нагнетательную гидролинию 3, гидропульсатор 4, перекачивающие блоки 5, сливную гидролинию 6, гидробак 7, гидролинию 9 подачи рабочей среды в перекачивающие блоки 5.

Гидропульсатор 4 состоит из ротора 9, статора 10, подшипника 11, крышек 12, 13, элементов уплотнения 14 и элементов 15 крепления крышек 12 и 13.

Ротор 9 представляет собой ступенчатый цилиндр, на концах которого выполнены посадочные поверхности для подшипников 11. В средней части ротора выполнен рабочий венец 16 со сдвоенными лопатками. С каждой стороны венца 16 выполнены кольцевые канавки 17, параллельно которым через разделительные пояса 18 выполнены по два диаметрально расположенных дугообразных паза 20, 21, разделенных между собой перемычками 19. Один паз 20 - нагнетательный, другой паз 21 - сливной. Нагнетательные пазы 20 соединены с кольцевыми канавками 17 через каналы 22. Сливной паз 21 через радиальное отверстие 23 соединен со сливным каналом 24. Дугообразные пазы 20, 21 и отверстия 25 в статоре образуют распределительные секции.

Статор 10 представляет собой полый цилиндр, на концах которого выполнены посадочные поверхности для подшипников 11 и крышек 12, 13.

В средней части статора выполнено сквозное отверстие 26, поверхность которого проходит по касательной линии к внутренней поверхности статора. С каждой стороны отверстия 26, в плоскости, проходящей через ось симметрии дугообразных пазов 20 и 21, выполнены по три сквозных отверстия 25, расположенные через 120^o по окружности. Нагнетательный и сливной пазы 20, 21 и отверстия 25 одной секции развернуты на 180^o относительно нагнетательного и сливного пазов 20, 21 и отверстия 25 другой секции.

Перекачивающий блок 5 состоит из двух корпусов 27, проставки 28, двух мембран 29, клапанов 30 и 31. Мембраны 29 расположены между корпусом 27 и проставкой 28 так, что образуют герметично разделенные между собой камеры, с одной стороны мембран 29 две гидроприводные камеры 32, с другой стороны мембран - одну общую камеру 33 перекачиваемой среды. Каждый корпус 27 имеет отверстие 34 для подвода и отвода рабочей среды.

Проставка 28 содержит обратный клапан 30, соединенный с линией всасывания перекачиваемой среды, и обратный клапан 31, соединенный с линией нагнетания перекачиваемой среды.

Насосный агрегат по варианту 2 работает следующим образом. Рабочая среда, например масло, из гидробака 7 по гидролинии поступает в насос 1. Насос 1 создает непрерывный поток рабочей среды высокого давления, который проходит через фильтр 2 и по нагнетательной линии 3 поступает во входное отверстие 26 гидропульсатора 4. В гидропульсаторе 4 непрерывный поток преобразуется в пульсирующий и распределяется в перекачивающие блоки 5 по гидролиниям 8.

Принцип работы гидропульсатора 4 заключается в следующем.

Рабочая среда под давлением через отверстие 26 поступает в гидромотор, рабочий венец которого выполнен в виде сдвоенных лопаток. Поток рабочей среды воздействует на лопатки и приводит с помощью их во вращение ротор 9. Профиль лопаток выполнен таким образом, что разделяет поток рабочей среды на две части. Каждая часть потока направляется в свою кольцевую канавку 17, из которой через продольный канал 22 поступает в нагнетательный паз 20 распределительной секции. Паз 20 с двух сторон отделен от паза 21 продольными перемычками 19, с третьей стороны ограничен цилиндрической поверхностью статора 10, поэтому в нем поддерживается высокое давление рабочей среды. Паз 21 через радиальное отверстие 23 постоянно соединен через осевой канал 24 и отверстие 27 в крышке 12 со сливной гидролинией 6, поэтому в нем создается низкое давление рабочей среды. Длина дуги паза 20 выбрана такой, что при вращении ротора паз 20 последовательно сообщается только с одним из отверстий 25. Длина дуги паза 21 больше длины дуги паза 20 на величину длины двух дуг перемычек 19. Величина дуги перемычки 19 выбирается из условия, при котором пазы 20 и 21 при вращении ротора не сообщаются между собой через отверстие 25. При вращении ротора пазы 20 и 21 последовательно через отверстия 25 сообщаются с гидроприводными камерами 32, при этом когда сообщается паз 20, происходит нагнетание рабочей среды в камеру 32, а когда сообщается паз 21, происходит слив рабочей среды из камеры 32. С целью создания равномерной нагрузки на подшипники и для гидравлического уравновешивания нагрузок, на роторе 9 и в статоре 10 выполнены две распределительные секции, расположенные симметрично относительно оси рабочего венца 16 и развернутые друг относительно друга вокруг оси на 180^o. В варианте 2 к гидропульсатору 4 присоединены шесть гидроприводных камер 32 трех перекачивающих блоков 5 таким образом, что циклы нагнетания и слива в гидроприводных камерах 32 каждого перекачивающего блока 5 синхронизированы.

Работа перекачивающих блоков 5 состоит в последовательно повторяющихся циклах заполнения каждой объединенной нагнетательной камеры 32 перекачиваемой средой и вытеснения ее в выходной коллектор под воздействием рабочей среды через мембраны 29. Регулирование производительности аналогично варианту 1.

Предложенная конструкция гидропульсатора и перекачивающего блока с двумя гидроприводными камерами 32 и общей камерой 33 перекачиваемой среды позволяет разгрузить нагрузку на ротор и подшипники, повысить надежность работы и уменьшить количество обратных клапанов 30 и 31 в два раза, а также повысить надежность работы мембраны 29 за счет уменьшения частоты их колебания при сохранении заданного расхода перекачиваемой среды.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 798354, кл. F 04 B 43/06, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 584092, кл. F 04 B 43/06, 1988.

Изобретение предназначено для перекачивания среды (нефтепродуктов растворов щелочей, кислот и т.д.) в химических, пожаро-взрывоопасных производствах, обеспечивает герметичность перекачиваемой среды и позволяет выносить привод насоса из технологически опасной зоны. В варианте 1 применен гидропульсатор, в котором непрерывный поток рабочей среды высокого давления преобразуется в пульсирующий и распределяется по перекачиваемым блокам, в которых совершаются последовательно повторяющиеся циклы заполнения и вытеснения перекачиваемой среды под воздействием рабочей среды через мембраны. Гидропульсатор не требует специального привода, так как вращение осуществляется с помощью встроенного гидромотора, работающего за счет незначительной части энергии непрерывного потока рабочей среды. В варианте 2 применен гидропульсатор с двумя распределительными секциями потока рабочей среды, которые дают возможность скомпенсировать нагрузки на ротор и подшипники. Вращение ротора осуществляется с помощью встроенного гидромотора, что обеспечивает герметичность перекачиваемой среды и позволяет выносить привод насоса из технологически опасной зоны. 2 с.п. ф-лы, 11 ил.

1. Гидроприводной насосный агрегат, содержащий насос подачи рабочей среды, перекачивающий блок с нагнетательной и гидроприводной камерами, разделенными между собой мембраной, в котором нагнетательная камера соединена через всасывающий клапан с входным коллектором перекачиваемой среды и через нагнетательный клапан с выходным коллектором перекачиваемой среды, а гидроприводная камера соединена с выходом гидропульсатора рабочей среды, вход в которую соединен с выходом из насоса подачи рабочей среды, отличающийся тем, что в насосный агрегат дополнительно введен гидромотор, гидропульсатор выполнен в виде ротора, установленного в статоре с возможностью вращения, за одно целое с ротором выполнен рабочий венец гидромотора, в статоре выполнены три симметричных, расположенных через 120^oC по окружности отверстия, соединенные с гидроприводными камерами трех перекачивающих блоков, в роторе выполнены два диаметрально расположенных дугообразных паза, разделенных перемычками, выполненными с возможностью поочередного соединения через отверстия в статоре с гидроприводными камерами трех перекачивающих блоков при вращении ротора, причем один дугообразный паз через продольный канал по образующей ротора, кольцевую канавку ротора соединен с выходом из гидромотора, а второй дугообразный паз через радиальный и осевой каналы в роторе соединен с входом в насос подачи рабочей среды, выход которого соединен с входом в гидромотор вращения ротора гидропульсатора. 2. Гидроприводной насосный агрегат, содержащий насос подачи рабочей среды, перекачивающий блок с нагнетательной и гидроприводной камерами, разделенными между собой мембраной, в котором нагнетательная камера соединена через всасывающий клапан с входным коллектором перекачиваемой среды и через нагнетательный клапан с выходным коллектором перекачиваемой среды, а гидроприводная камера соединена с выходом из гидропульсатора рабочей среды, вход в который соединен с выходом из насоса подачи рабочей среды, отличающийся тем, что в насосный агрегат дополнительно введен гидромотор, гидропульсатор выполнен в виде ротора, установленного в статоре с возможностью вращения, за одно целое с ротором выполнен рабочий венец гидромотора в виде сдвоенных лопаток и двух кольцевых канавок по обеим сторонам венца с возможностью разделения входного потока рабочей среды на лопатках на две части и направления каждой части в свою кольцевую канавку, параллельно кольцевым канавкам ротора выполнены две секции распределения рабочей среды, содержащие по два диаметрально расположенных дугообразных паза, разделенных между собой перемычками, по три симметричных, расположенных через 120^oC по окружности отверстия в статоре, выполненные с возможностью поочередного соединения соответствующих трех отверстий статора с каждой парой дугообразных пазов ротора при вращении последнего с гидроприводными камерами перекачивающих блоков, причем дугообразный нагнетательный паз каждой секции соединен с соответствующей кольцевой канавкой, а дугообразный сливной паз каждой секции через радиальные каналы, осевой канал ротора и отверстие в крышке статора соединены с входом в насос подачи рабочей среды, выход из которого соединен с входом в гидромотор вращения ротора гидропульсатора, секции распределения рабочей среды расположены так, что нагнетательный паз и отверстия в статоре одной секции развернуты на 180^oC относительно нагнетательного паза и отверстий в статоре другой секции, а противоположные отверстия секций статора соединены попарно с соответствующими гидроприводными камерами перекачивающих блоков, кроме того, перекачивающие блоки выполнены из двух отдельных гидроприводных камер, разделенных мембранами от единой нагнетательной камеры, причем гидроприводные камеры каждого перекачивающего блока соединены попарно с соответствующими отверстиями секций распределения рабочей среды.