ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F04B53/00 

Изобретение относится к насосам, а более точно - к плунжерным насосам сверхвысокого давления, которые используются в качестве силового агрегата высокопроизводительных гидрорезных комплексов, применяемых при резке, раскрое и изготовлении деталей и узлов различной конфигурации и из различных материалов, для очистки и доводки поверхностей изделия, карьерной разработки и добычи нерудных материалов.

Известен плунжерный насос сверхвысокого давления, содержащий корпус и головку, в которой расположен всасывающий и нагнетающий клапаны, установленный в цилиндре плунжер с образованием рабочей камеры (см. патент US N 4194, кл. F 04 B 21/02, 1979). При этом плунжер в цилиндре установлен во втулке плавающего типа, опирающейся на вставку, которая сопряжена с поверхностью седла всасывающего клапана.

Практическое применение таких насосов оказалось целесообразным и возможным при рабочих давлениях до 100 МПа. При более высоких давлениях существенно возрастает сила, действующая на торец плавающей втулки, которая преодолевает силу сцепления ее с цилиндром, что приводит к смещению втулки и отказу в работе.

Кроме того, в зазор между скользящей втулкой и цилиндром может попасть прессовочная среда, так что втулка прижимается к плунжеру, что также приводит к нарушению работы.

Таким образом, заложенные конструктивные решения не позволяют повысить рабочее давление на выходе из насоса и расход рабочей жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является плунжерный насос сверхвысокого давления, описанный в патенте РФ N 2030637, кл. F 04 B 53/00. Этот известный насос содержит корпус, головку с всасывающим и нагнетательным клапанами, плунжер, установленный в корпусе с образованием рабочей камеры, и полую вставку. При этом, в отличие от заявляемого насоса, плунжер установлен без захода во внутреннюю полость вставки в цилиндре и во втулке плавающего типа, расположенной по всей длине цилиндра. Цилиндр и плавающая втулка своими торцами опираются на вставку, всасывающий и нагнетательный клапаны расположены в головке соосно оси цилиндра. Кроме того, рабочая камера образуется торцевой поверхностью плунжера, обращенной ко вставке, и осевым каналом уплотнительной втулки, установленной во внутренней полости вставки, перекрывающей зазор между торцами плавающей втулки и вставки. Таким образом, герметизация рабочей камеры при рабочем ходе плунжера обеспечивается длиной контактной поверхности и характером контакта плунжера и плавающей втулки, свойствами материала уплотняющей втулки, качеством исполнения и работы клапанов.

Описанная выше конструкция не обеспечивает на практике надежную работу насоса на сверхвысоких давлениях (более 300 МПа) и большом (более 25 л/мин) расходе на выходе. Объясняется это тем, что для обеспечения большого расхода жидкости на выходе (при неизменных геометрических размерах рабочей камеры) необходимо увеличить частоту возвратно-поступательного движения плунжера. При частоте движения плунжера насоса-прототипа выше 2-3 Гц значительно возрастает сила трения по поверхности контакта плунжера и плавающей втулки из-за отсутствия какой-либо смазки и температурной деформации контактируемых деталей, что может привести к заклиниванию плунжера во втулке.

При дальнейшей эксплуатации вследствие этого идет интенсивный износ контактирующих поверхностей, увеличение радиального зазора, что приводит к снижению давления в рабочей камере и на выходе к большим утечкам. Кроме того, при повышенной частоте движения происходит дополнительный рост потребляемой энергии и снижение КПД. насоса. К этому же результату приводит наличие в рабочей камере упругой уплотняющей втулки, материал который гасит и рассеивает энергию плунжера при сжатии жидкости.

К неудовлетворительной работе насоса приводит и расположение клапанов вдоль оси цилиндра друг за другом, так как при этом все детали всасывающего клапана подвергаются воздействию рабочей жидкости под высоким давлением, что снижает ресурс и надежность их работы.

В основу изобретения положена задача разработать плунжерный насос сверхвысокого давления, в котором благодаря усовершенствованию конструкции рабочей камеры, вставки, взаимного расположения вставки, плунжера и клапанов обеспечивалось бы надежное уплотнение рабочей камеры с возможностью регулировки степени поджатия этого уплотнения, постоянная смазка трущихся поверхностей плунжера, что способствует повышению давления на выходе до 600 МПа при расходе более 25 л/мин, и увеличению КПД насоса.

Поставленная задача решается тем, что в плунжерном насосе, содержащем корпус, головку с всасывающим и нагнетательным клапанами, плунжер, установленный в корпусе с образованием рабочей камеры, и полую вставку, согласно изобретению, плунжер выполнен с возможностью захода во внутреннюю полость вставки с образованием при этом рабочей камеры, внутренняя полость вставки выполнена ступенчатой, меньшая ступень имеет диаметр, выбираемый из соотношения
d₁≥(d +0,8) мм,
где d₁ - диаметр меньшей ступени;
d - диаметр плунжера,
и образует с плунжером рабочую камеру, а большая ступень имеет длину, выбираемую из диапазона
L≤(l-5) мм,
где L - длина большей ступени;
l - длина уплотнительной втулки, и в этой ступени размещена уплотнительная втулка, охватывающая плунжер и опирающаяся с одной стороны на большую ступень, а с другой стороны - на торцевую поверхность корпуса, при этом с глухой стороны вставки расположен фланец с отверстиями под крепежные элементы, посредством которых вставка крепится к головке.

Также, согласно изобретению, длина уплотнительной втулки, размещенной в большей ступени вставки, выбирается из диапазона
3,0 S≥l≥1,2 S,
где l - длина уплотнительной втулки;
S - ход плунжера.

Кроме того, во фланце вставки выполнены всасывающий и нагнетательный каналы, сообщенные с рабочей камерой и перпендикулярные ее оси, и в этих каналах размещены соответственно всасывающий и нагнетательный клапаны, перекрывающие эти каналы.

Благодаря описанной выше конструкции вставки, подбора размеров ее ступеней значительно уменьшается трение плунжера за счет сокращения длины зоны трения и постоянной смазки трущихся поверхностей. Это объясняется тем, что при сжатии жидкости плунжер входит в рабочую камеру (малая ступень внутренней полости вставки), где смачивается рабочей жидкостью из-за наличия гарантированного радиального зазора, а при обратном ходе эта смазка попадает в зону контакта, снижая коэффициент трения и охлаждая контактирующие поверхности при увеличении частоты движения плунжера.

Благодаря тому, что длина уплотнительной втулки больше длины большей ступени вставки, которая крепится к головке с помощью крепежных элементов, осуществляется регулируемый зажим уплотнительной втулки, что устраняет утечки из рабочей камеры.

В дальнейшем изобретение будет подробно раскрыто в описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает предлагаемый плунжерный насос, продольный разрез;
фиг. 2 - вид по стрелке "A" на фиг. 1.

Предлагаемый плунжерный насос содержит корпус 1 (фиг. 1), головку 2 с установленной в ней вставкой 3 и плунжер 4, совершающий возвратно-поступательное движение и выполненный с возможностью захода во внутреннюю полость 5 вставки 3, которая выполнена ступенчатой. Меньшая ступень 6 вставки 3 имеет диаметр d₁, выбираемый из соотношения
d₁≥(d + 0,8) мм,
где d - диаметр плунжера,
и образует с плунжером 4 рабочую камеру "а".

Большая ступень 7 имеет длину "L", выбираемую из диапазона
L≤(1-5) мм,
где l - длина уплотнительной втулки 8, размещенной в этой ступени.

Втулка 8 охватывает плунжер 4 и опирается с одной стороны на большую ступень 7, а с другой стороны на торцевую поверхность 9 корпуса 1. Длина "l" уплотнительной втулки 8 выбирается из диапазона
3,0 S≥l≥1,2 S,
где S - ход плунжера 4.

На глухом конце вставки 3 выполнен фланец 10 (фиг. 1 и 2) с отверстиями под крепежные элементы, например, болты 11, при ввинчивании которых в резьбовые гнезда 12 (фиг. 1), выполненные в головке 2, осуществляется крепление вставки 3 в головке 2 с возможностью регулировки зажима уплотнительной втулки 8 между ступенью 7 и торцевой поверхностью 9.

Во фланце 10 выполнены всасывающий канал 13 и нагнетательный канал 14, сообщающиеся с рабочей камерой "а" и перпендикулярные ее оси. Внутри этих каналов размещены соответственно всасывающий и нагнетательный клапаны 15 и 16, перекрывающие эти каналы.

Стрелкой "B" на чертеже условно показана подача рабочей жидкости в насос, а стрелкой "C" - выход к потребителю.

Насос работает следующим образом.

Перед началом, путем затяжки известным способом (например, динамометрическим ключом) на расчетную величину болтов 11 в гнездах 12 головки 2, проходящих через отверстия во фланце 10 вставки 3, осуществляют зажатие уплотнительной втулки 8 между ступенью 7 вставки 3 и торцевой поверхностью 9 корпуса 1. Всасывающий 13 и нагнетательный 14 каналы перекрыты клапанами 15 и 16 соответственно.

При движении плунжера 4 влево согласно чертежу (фиг. 1), всасывающий клапан 15 под действием создаваемого разрежения в рабочей камере "а" и напора жидкости в подающей магистрали открывает всасывающий канал 13 и рабочая камера "а" заполняется жидкостью в направлении по стрелке "B". При рабочем ходе плунжера 4 (вправо на фиг. 1) в рабочей камере "а" происходит сжатие жидкости до рабочего давления, под действием которого всасывающий клапан 15 перекрывает всасывающий канал 13, а нагнетательный клапан 16 открывает нагнетательный канал 14 и жидкость из рабочей камеры "а" с рабочим давлением и расходом поступает на выход насоса потребителю в направлении по стрелке "C". При этом также, благодаря гарантированному зазору между плунжером 4 и внутренней поверхностью рабочей камеры "а", реализуется надежное смачивание (смазка) поверхности плунжера 4, за счет чего при последующем цикле смазывается внутренняя поверхность втулки 8.

После этого цикл повторяется.

Во время работы насоса осуществляется визуальный контроль утечек рабочей жидкости через уплотнительную втулку 8, и при превышении утечек допустимой нормы, дозажимают уплотнительную втулку путем дозатяжки болтов 11.

Таким образом, благодаря изменению конструкции рабочей камеры, вставки, уплотнительной втулки, всасывающих и нагнетательных клапанов и каналов обеспечивается надежное уплотнение рабочей камеры с возможностью регулировки зажатия уплотнительной втулки, сокращение длины контактной зоны трения плунжера, постоянная смазка трущихся поверхностей, устраняется воздействие на упругие элементы (уплотнения) рабочего давления жидкости, что снижает удельное потребление энергии, а также повышается КПД насоса, ресурс работы узлов и деталей при частоте движения плунжера выше 5 Гц при давлении на выходе до 600 МПа и расходе более 25 л/мин.

Пример.

Проводились сравнительные испытания насоса - прототипа и насоса заявляемой конструкции, которые имели следующие характеристики:
потребляемая мощность - 75 кВт/час
число плунжеров - 3
рабочий ход плунжера - 32 мм
диаметр плунжера - 30 мм
давление жидкости на входе - 1,2 МПа
число оборотов привода - 600 об/мин
Для заявляемого насоса:
диаметр меньшей ступени - 31 мм
длина уплотнительной втулки: - 60 мм
длина большей ступени - 55 мм
В результате получены данные, представленные в таблице.

Насос предназначен для использования в качестве силового агрегата высокопроизводительных гидрорезных комплексов, применяемых при резке, раскрое и изготовлении деталей и узлов различной конфигурации. Насос имеет корпус, головку, в которой расположена вставка, плунжер, образующий рабочую камеру во внутренней полости вставки, всасывающий и нагнетательный клапаны, внутренняя полость вставки выполнена ступенчатой. Меньшая ступень имеет диаметр, выбираемый из соотношения d₁≥(d+0,8) мм, где d₁ - диаметр меньшей ступени, d - диаметр плунжера. Большая ступень имеет длину, выбираемую из диапазона L≤(l-5) мм, где L - длина большей ступени, l - длина уплотнительной втулки. Насос обеспечивает достижение на выходе давления рабочей жидкости до 600 МПа, при расходе более 25 л/мин (при частоте движения плунжера - 5 Гц), сокращение удельных затрат потребляемой энергии, повышение КПД насоса, увеличение ресурса работы быстроизнашивающихся узлов и деталей. 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Плунжерный насос сверхвысокого давления, содержащий корпус, головку с всасывающим и нагнетательным клапанами, плунжер, установленный в корпусе, рабочую камеру и полую вставку, отличающийся тем, что плунжер выполнен с возможностью захода во внутреннюю полость вставки с образованием при этом рабочей камеры, внутренняя полость вставки выполнена ступенчатой, меньшая ступень имеет диаметр, выбираемый из соотношения
d₁ ≥ (d + 0,8) мм,
где d₁ - диаметр меньшей ступени;
d - диаметр плунжера,
и образует с плунжером рабочую камеру, а большая ступень имеет длину, выбираемую из диапазона
L ≤ (l - 5) мм,
где L - длина большей ступени;
l - длина уплотнительной втулки,
и в этой ступени размещена уплотнительная втулка, охватывающая плунжер и опирающаяся с одной стороны на большую ступень, а с другой стороны - на торцевую поверхность корпуса, при этом с глухой стороны вставки расположен фланец с отверстиями под крепежные элементы, посредством которых вставка крепится к головке. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что длина уплотнительной втулки, размещенной в большей ступени вставки, выбирается из диапазона
3,0 S ≥ l ≥ 1,2 S,
где l - длина уплотнительной втулки;
S - ход плунжера. 3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что во фланце вставки выполнены всасывающий и нагнетательный каналы, сообщенные с рабочей камерой и перпендикулярные ее оси, и в этих каналах размещены соответственно всасывающий и нагнетательный клапаны, перекрывающие эти каналы.