ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04F7/02 

Изобретение относится к гидравлическому плунжерному насосу для превращения небольших количеств воды при высоком давлении в большое количество воды при низком давлении. Такие плунжерные насосы также называются плунжерами всасывания. Плунжеры представляют собой плунжерные насосы, которые могут быть использованы в реверсном режиме, для превращения больших количеств воды при низком давлении в небольшие количества воды при высоком давлении. Плунжерный насос согласно настоящему изобретению может работать в обоих режимах, то есть он может быть использован по выбору для увеличения давления или для увеличения объемного потока.

Плунжеры всасывания известны, по меньшей мере, с 1905 года ("Tragheitsmaschinen als Moglichkeit der hydraulischmechanishen Energilumformung"). Инерционные механизмы как вариант оборудования для превращения гидравлической энергии в механическую/, публикация ivan Cyphelly, Fegawerk, Швейцария, находящееся в IWP of RWTH Aachen, Prof. Backe, June 21, 1991). B них использовались клапаны плунжера, которые как и в гидравлических плунжерах, имеющих трубопровод для поступающей воды и естественный перепад, резко закрываются благодаря гидродинамическому падению давления, которое возникает за счет прохождения воды через клапан.

В вариантах известных плунжеров всасывания (например, патент Германии N 804288, 1949 г., или в варианте плунжера всасывания, все еще выпускаемого в настоящее время фирмой Fegawerk S.A.Locie /Швейцария), когда клапан плунжера закрывается, происходит рассеяние кинетической энергии потока воды, из-за прекращения подачи воды. Для того чтобы эти потери были как можно меньше, плунжер всасывания фирмы Fegawerk снабжен в качестве трубопровода для поступающей воды шлангом, имеющим предельно большое поперечное сечение, посредством чего дополнительно ограничиваются высокие скорости поступающей воды.

Описанные выше известные плунжеры всасывания для удовлетворительного функционирования требуют особого постоянного объема потока поступающей воды, поскольку, когда объем потока воды, находящейся под давлением, падает ниже, чем необходимо, клапан плунжерного насоса больше не закрывается и производительность падает до нуля.

Плунжерный клапан подвергается воздействию особенно высоких нагрузок как результат резкой остановки подачи столба поступающей воды, причем эта нагрузка является еще существенно выше в известных плунжерах всасывания, чем в гидравлических плунжерах обычного типа, в которых в результате остановки подачи столба подаваемой воды давление, которое оказывает подпирающее действие на клапан, будет таким, которое должно быть достигнуто, для того, чтобы осуществлять нагнетание в воздухоприемник. Эта высокая нагрузка на клапан плунжерного насоса оказывает нежелательное влияние на срок службы известного плунжера всасывания.

Эти недостатки преодолены в плунжерном насосе, описанном в заявке на патент Германии DE N 19520343, которая не была ранее опубликована (EPC Art. 54(3)), согласно которой клапан плунжерного насоса по конструкции не является нереверсивным клапаном, как в описанных выше технических решениях, который удерживается открытым под действием пружины и закрывается потоком поступающей воды, но является клапаном, который удерживается закрытым под действием пружины и открывается под давлением поступающей воды. Кроме того, согласно изобретению предусмотрено действие клапана плунжерного насоса циклически по типу колебательного контура, совместно с элементом напорного резервуара, который также действует под напором подаваемой воды. Благодаря своей конструкции этот плунжер всасывания может действовать как для увеличения давления, так и для увеличения объемного потока.

Поскольку в случае этого плунжерного насоса перед открытием клапана плунжерного насоса давление воды поднимается с помощью регулирующего давление элемента конструкции, это обеспечивает, чтобы подача воды внезапно не останавливалась при функционировании плунжерного насоса, а могла подаваться к последнему непрерывно, благодаря чему клапан плунжерного насоса четко снижает нагрузку, по сравнению с предшествующими техническими решениями, что обеспечивает увеличение срока службы плунжерного насоса в целом.

Благодаря конструкции клапана этого плунжерного насоса как запорного клапана и приведению его в действие напором всасываемой воды совместно с элементом напорного резервуара, он кроме того обеспечивает, чтобы клапан плунжерного насоса все еще был открыт даже при самом небольшом объеме потока поступающей воды, поскольку давление открытия клапана плунжерного насоса поднимается с помощью элемента напорного резервуара, даже при подаче минимального количества поступающей воды. Таким образом, это также позволяет заметно увеличить производительность плунжерного насоса по сравнению с плунжером всасывания, описанным выше.

Однако недостатками данного плунжерного насоса являются значительные габариты, а также возможность возникновения кавитации.

Задачей настоящего изобретения является создание компактного гидравлического плунжерного насоса, обеспечивающего высокую производительность и продолжительный срок службы и который может работать как для увеличения давления, так и для увеличения объема потока.

Эта задача достигается в гидравлическом плунжерном насосе, содержащем трубопровод для поступающей воды, подающий воду в впускную трубу, нагнетающий трубопровод, сообщающийся с нагнетаемой водой через донный клапан, клапан плунжерного насоса, соединенный с трубопроводом для поступающей воды и нагнетающим трубопроводом, причем поступающая вода проходит в нагнетающий трубопровод при открытом клапане плунжерного насоса, после закрытия клапана плунжерного насоса поток воды проходит в нагнетающий трубопровод, всасывающий нагнетаемую воду через донный клапан, причем клапан плунжерного насоса удерживается усилием пружины в закрытом положении, отделяя трубопровод для поступающей воды от нагнетающего трубопровода, и напорный резервуар, присоединенный к трубопроводу для поступающей воды выше по потоку относительно клапана плунжерного насоса, причем корпус донного клапана, имеющий кольцевую форму, выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении и герметично соединен о нагнетающим трубопроводом, при этом эффективное поперечное сечение этого соединения больше, чем поперечное сечение седла донного клапана, а седло клапана плунжерного насоса и седло донного клапана механически связаны для преобразования кинетической энергии. Кроме того, клапан плунжерного насоса и донный клапан могут быть расположены соосно, причем седла клапанов примыкают друг к другу. Кроме того, оба седла клапанов могут быть расположены на противоположных концах держателя седел клапанов. Кроме того, напорный резервуар может быть выполнен в виде сильфона, опирающегося на один конец камеры двухкамерного корпуса и воспринимающего снаружи воздействие поступающей воды, проходящей в эту камеру через трубопровод для поступающей воды, а на другом конце содержит поршень клапана плунжерного насоса, седло клапана которого расположено в перегородке, разделяющей корпус, и присоединен к седлу донного клапана, которое расположено в другой камере, сообщающейся с нагнетаемой водой. Кроме того, сильфон выполнен в виде упругого с переменным объемом элемента напорного резервуара, установленного без изменения его осевого размера для аккумулирования давления. Кроме того, возвратная пружина клапана плунжерного насоса может быть расположена внутри сильфона напорного резервуара, соосно с последним и опирается одним концом на внутреннюю сторону седла клапана плунжерного насоса, а другим своим концом на держатель. Кроме того, поршень клапана плунжерного насоса может иметь сквозное капиллярное отверстие, соединяющее внутреннее пространство сильфона напорного резервуара с пространством между седлом донного клапана и седлом клапана плунжерного насоса. Кроме того, капиллярная трубка, проходящая в донную часть сильфона напорного резервуара может быть присоединена к капиллярному отверстию. Кроме того, донный клапан может иметь сильфон, на одном конце которого расположено седло донного клапана, а другим концом опирается на корпус с возможностью воздействия корпуса донного клапана на седло донного клапана в закрытом положении.

На чертеже представлена схема плунжерного насоса. Плунжерный насос имеет трубчатый корпус 1, имеющий цилиндрический кожух 2, который закрыт с одного конца, нижнего конца на чертеже, днищем 3 и который закрыт на другом своем конце, верхнем конце на чертеже, крышкой 4. Внутреннее пространство трубчатого корпуса 1 аксиально разделено перегородкой 5 на камеру 6 большего объема и камеру 7 меньшего объема.

Днище 3 корпуса 1 состоит из двух частей и содержит кольцо 8, наружный периметр которого соответствует наружному периметру кожуха 2, а его расположенная эксцентрично внутренняя поверхность имеет внутреннюю резьбу, в которую ввернут глухой фланец 9 с наружной резьбой. Для того, чтобы герметизировать кольцо 8 и фланец 9 друг относительно друга, по наружному периметру глухого фланца 9 предусмотрена кольцевая канавка, в которой находится кольцо 10 О-образного сечения, которое стопорится на внутреннем периметре кольца 8.

Трубопровод для поступающей воды, не показанный, присоединен к впускной трубе 11, которая проходит через отверстие в крышке 4 и соответствующее отверстие в перегородке 5. Впускная труба 11 герметично соединена по меньшей мере с перегородкой 5. В следующее отверстие в перегородке 5 герметично вставлен трубчатый держатель 12 седла 13 клапана, который имеет кольцевую часть, выступающую в меньшую камеру 7, причем упомянутая кольцевая часть, образующая с ее наружной стороной, заостренное в направлении крышки 4, корпус 14 донного клапана 15, который кроме того имеет возвратную пружину, которая имеет форму сильфона 16, к одному концу которого прочно присоединен корпус 14 клапана 15, а другой конец которого прочно присоединен к патрубку 17, который проходит через отверстие в крышке 4, прочно присоединен к последней и присоединен к нагнетающему трубопроводу, не показанному. На другом конце держателя 12 седла клапана выполнено седло 18 клапана в форме конической поверхности, которая сужается в направлении седла 13 донного клапана 15 и, с целью взаимодействия, взаимодействует со сферической поверхностью, кроме того, дополнительно выполненной на элементе 19 клапана 20 плунжерного насоса, который также имеет форму кольцевого диска, прочно присоединенного к одному концу, верхнего конца на чертеже, сильфона 21, который, как объяснено ниже, образует напорный резервуар плунжерного насоса и прочно соединен с другим концом внутренней поверхности глухого фланца 9 в днище корпуса 1, Возвратная пружина 22 опирается на внутреннюю сторону кольцевого элемента 19 клапана 20 плунжерного насоса, другой конец которой опирается на верхний конец опорного патрубка 23, который вставлен своим другим концом в отверстие в глухом фланце 9 и прочно присоединен к последнему. В нижнем конце опорного патрубка 23 в радиальном направлении выполнены отверстия 24, которые, с одной стороны, открыты во внутреннем пространстве патрубка 23 и, с другой стороны, открыты во внутреннее пространство, ограниченное сильфоном 21.

Элемент 19 клапана 20 плунжерного насоса имеет центральное отверстие, через которое проходит цилиндрический элемент 25, который вместе с его концом, заостренным в направлении донного клапана 15, расположен во внутреннем пространстве, ограниченном держателем 12 седла клапана, а на другом своем конце расширяется в форме фланца, причем эта подобная фланцу концевая часть служит для крепления элемента 19, а клапана к сильфону 21. На этой стороне фланца, заостренного в направлении сильфона 21, предусмотрен фиксирующий элемент для возвратной пружины 22, причем эта пружина закреплена вокруг фиксирующего элемента. В этом элементе, а также во фланцевом конце цилиндрического элемента 25 и самом последнем элементе, выполнено сквозное капиллярное отверстие, продолжением которого является капиллярная трубка 26, которая проходит до донной части опорного патрубка 23.

Кожух корпуса 1 предпочтительно просверлен во множестве мест в области меньшей камеры 7, и в эти отверстия вставлены металлические сетки 27 и 28.

Как схематично показано на чертеже волнистыми линиями на верхнем конце плунжерного насоса, последний погружен в воду ниже ее поверхности в резервуаре.

Режим работы плунжерного насоса согласно настоящему изобретению, который имеет описанную выше конструкцию с использованием чертежа, объясняется ниже.

Поступающая вода подается наружным насосом (не показан) через соединительный патрубок 11 в нижнюю камеру или напорную камеру плунжерного насоса. Поскольку элемент 19 клапана 20 подпирается в закрытом положении возвратной пружиной 22 относительно седла 18 клапана 20 плунжерного насоса, то давление в напорной камере снаружи сильфона 21 возрастает, и это возрастание давления вызывает упругую деформацию сильфона 21, который предпочтительно является металлическим. Это означает, что гофры сильфона 21 выполняют функцию пружинного резервуара для гидравлического плунжера всасывания.

Возрастание давления жидкости в камере 6 вызывает увеличение усилия на концевом торце сильфона 21, несущего элемент 19 клапана плунжерного насоса, и это давление в конце концов преодолевает закрывающее усилие возвратной пружины 22. В результате клапан 20 плунжерного насоса открывается, или элемент 19 клапана освобождает свое гнездо клапана, и давление жидкости, которое присутствует в напорной камере 6, теперь действует на весь концевой торец сильфона 21 и соответственно на наружный торец элемента 19 клапана, в результате чего клапан 20 плунжерного насоса открывается еще больше и в результате этого давление в камере 6 незначительно падает. Кроме того, при открытии клапана 20 плунжерного насоса давление в камере 6 действует на внутреннее пространство сильфона 16, который образует возвратную пружину для донного клапана 15, который в это время еще закрыт, и на нагнетаемую воду, которая находится в этом внутреннем пространстве, и сообщает ускорение последней, в результате чего дальше давление падает до тех пор, пока не становится ниже той величины, при которой возвратная пружина 22 воздействует на корпус клапана 20 в большей степени относительно седла этого клапана и тем самым закрывает клапан плунжерного насоса, причем давление в камере 6 возрастает еще больше.

Кинетическая энергия, которая передается присоединенному седлу 18 клапана при закрытии клапана 20, передаются через держатель 12 седла клапана на седло 13 донного клапана 15 и открывает этот клапан в результате этого упругого толчка. В это же самое время, за счет использования кинетической энергии, передаваемой нагнетаемой воде, происходит всасывание этой нагнетаемой воды из окружающего пространства против действия силы тяжести на поступающую воду, через донный клапан 15, который в данный момент открывается, причем корпус клапана поднимается из седла 13 клапана. В то же время донный клапан 15 удерживается открытым за счет несколько пониженного давления по отношению к внешнему в сильфоне 16. Как только энергия, накопленная на нагнетаемой воде, окажется использованной до конца, донный клапан 15 закрывается еще раз под действием усилия пружины, находящейся в сильфоне 16.

Кинетическая энергия процесса закрытия передается упругим толчком через держатель 12 седла клапана на седло 18 клапана 20 плунжерного насоса и с помощью последнего на элемент 19 клапана 20 плунжерного насоса, в результате чего последний открывается. В то же самое время нагнетается вода, которая находится в стабильном состоянии, легко выталкивается назад из-за упругости сильфона 16 и вызывает легкий толчок, который способствует открытию клапана плунжерного насоса.

Поскольку седла клапанов, которые согласно настоящему изобретению механически связаны или образуют одно целое, что относится к донному клапану 15 и клапану 20 плунжерного насоса, то энергия закрытия соответствующего клапана используется преимущественно для открытия соответствующего другого клапана. Это преимущество не может быть достигнуто в случае плунжерных насосов обычной конструкции, поскольку седла клапанов тех двух клапанов, которые описаны (донный клапан не является возвратным клапаном), сконструированы так, что они отделены один от другого так, что кинетическая энергия не передается от одного клапана другому. Кинетическая энергия, которая высвобождается в процессе закрытия, в основном поглощается средством амортизации, например, уплотняющей клапан резиной. Амортизация такого типа обычно также необходима для предотвращения так называемого подскока соответствующего элемента клапана на седле клапана. В случае клапанов, которые имеют конструкцию согласно настоящему изобретению, соединенных друг с другом через седло клапана или образующих единый узел, этот подскок не происходит, поскольку кинетическая энергия передается при закрытии клапана другому клапану для того, чтобы произвести его открытие или содействовать ему.

Как правило, течение вокруг элемента клапана происходит в осевом направлении, а радиальный поток движется отдельно между элементом клапана и седлом клапана вследствие подсоса. По контрасту с этим, течение в клапанах, которые имеют конструкцию согласно настоящему изобретению с общим седлом клапана, происходит совместно, в радиальном направлении внутрь между элементами клапанов и объединенным седлом, а затем в осевом направлении из соответствующего клапана. Это происходят только там, где предусмотрена конструктивная особенность с общим седлом клапана. Следующим преимуществом соединения седел обоих клапанов согласно настоящему изобретению состоит в том, что секция между двумя клапанами может быть минимально короткой.

С помощью простого мероприятия плунжерный насос согласно настоящему изобретению и представленный выше может также работать как обычный плунжер. С этой целью необходимо предусмотреть дополнительную пружину, которая действует так, что донный клапан 15 открывается в состоянии паузы. Режим работы такого модифицированного плунжерного насоса состоит в следующем.

Сначала поступающая вода приобретает ускорение благодаря ее свободному падению, и она проходит в отверстие через открытый донный клапан 15 через патрубок 17 до тех пор, пока гидродинамическое отрицательное давление между корпусом 14 клапана и седлом 13 клапана и противодавление в сильфоне 16 не вызовут закрытие донного клапана 15. В результате этого клапан 20 плунжерного насоса открывается, и кинетическая энергия нагнетаемой воды передается в пружинный резервуар (сильфон 21), в результате чего клапан 20 плунжерного насоса еще раз плотно закрывается, и процесс, как описано выше, начинается снова с самого начала. Однако, если пружинный резервуар (сильфон 21) уже загружен (т.е., вода под давлением не расходуется), то донный клапан 15 не закрывается, когда нагнетаемая вода находится в состоянии покоя, но только после того, как избыток энергии из пружинного резервуара сообщает ускорение нагнетаемой воде в обратном направлении или назад. После закрытия клапана 20 плунжерного насоса нагнетаемая вода затем сначала подсасывает воду внутрь через донный клапан 15 до тех пор, пока направление течения не изменяется на противоположное Это означает, что, если вода под давлением не нужна, то потребление нагнетаемой воды также сводится к минимуму.

Назначение капиллярной трубки 26 или капиллярного отверстия в элементе клапана (чертеж) состоит в том, чтобы давление внутри сильфона 21 стало равным среднему давлению в сильфоне 16 и в нагнетающем трубопроводе. Это достигается в ситуации, когда разность давления между поступающей водой и нагнетаемой водой, при которой клапан плунжерного насоса открыт, не зависит от гидравлического напора. И как результат, нагрузка на внешний подающий воду насос всегда является одинаковой, независимо от того, используется плунжерный насос для нагнетания больших количеств воды с поверхности воды, или для нагнетания малого количества воды с большой глубины.

Изобретение относится к гидравлическим плунжерным насосам. Насос содержит трубопровод для поступающей воды, подающий поступающую воду во впускную трубу, нагнетающий трубопровод, который сообщается с нагнетаемой водой через донный клапан, клапан плунжерного насоса, который присоединен к трубопроводу для поступающей воды и нагнетающему трубопроводу, причем поступающая вода проходит в нагнетающий трубопровод, когда клапан плунжерного насоса открыт. После закрытия клапана плунжерного насоса поток воды проходит в нагнетающий трубопровод, всасывающий нагнетаемую воду через донный клапан, причем клапан плунжерного насоса удерживается усилием пружины в закрытом положении, отделяя трубопровод для поступающей воды от нагнетающего трубопровода. Также насос содержит напорный резервуар, который присоединен к трубопроводу для поступающей воды выше по потоку относительно клапана плунжерного насоса. Причем корпус клапана, имеющий кольцевую форму, выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении и герметично соединен с нагнетающим трубопроводом, эффективное поперечное сечение этого соединения больше, чем поперечное сечение седла клапана, а седло клапана плунжерного насоса и седло донного клапана механически связаны для преобразования кинетической энергии. Обеспечивается возможность создания компактного плунжерного насоса, обеспечивающего высокую производительность и продолжительный срок службы. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидравлический плунжерный насос, содержащий трубопровод для поступающей воды, подающий воду во впускную трубу, нагнетающий трубопровод, сообщающийся с нагнетаемой водой через донный клапан, клапан плунжерного насоса, соединенный с трубопроводом для поступающей воды и нагнетающим трубопроводом, причем поступающая вода проходит в нагнетающий трубопровод при открытом клапане плунжерного насоса, после закрытия клапана плунжерного насоса поток воды проходит в нагнетающий трубопровод, всасывающий нагнетаемую воду через донный клапан, причем клапан плунжерного насоса удерживается усилием пружины в закрытом положении, отделяя трубопровод для поступающей воды от нагнетающего трубопровода, и напорный резервуар, присоединенный к трубопроводу для поступающей воды выше по потоку относительно клапана плунжерного насоса, причем корпус донного клапана, имеющий кольцевую форму, выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении и герметично соединен с нагнетающим трубопроводом, отличающийся тем, что эффективное поперечное сечение этого соединения больше, чем поперечное сечение седла донного клапана, а седло клапана плунжерного насоса и седло донного клапана механически связаны для преобразования кинетической энергии. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что клапан плунжерного насоса и донный клапан расположены соосно, причем седла клапанов примыкают друг к другу. 3. Насос по п.2, отличающийся тем, что оба седла клапанов расположены на противоположных концах держателя седел клапанов. 4. Насос по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что напорный резервуар выполнен в виде сильфона, опирающегося на один конец камеры двухкамерного корпуса и воспринимающего снаружи воздействие поступающей воды, проходящей в эту камеру через трубопровод для поступающей воды, а на другом конце содержит поршень клапана плунжерного насоса, седло клапана которого расположено в перегородке, разделяющей корпус, и присоединен к седлу донного клапана, которое расположено в другой камере, сообщающейся с нагнетаемой водой. 5. Насос по п.4, отличающийся тем, что сильфон выполнен в виде упругого с переменным объемом элемента напорного резервуара, установленного без изменения его осевого размера для аккумулирования давления. 6. Насос по п. 4, отличающийся тем, что возвратная пружина клапана плунжерного насоса расположена внутри сильфона напорного резервуара соосно с последним и опирается одним концом на внутреннюю сторону седла клапана плунжерного насоса, а другим своим концом - на держатель. 7. Насос по п.4 или 5, отличающийся тем, что поршень клапана плунжерного насоса имеет сквозное капиллярное отверстие, соединяющее внутреннее пространство сильфона напорного резервуара с пространством между седлом донного клапана и седлом клапана плунжерного насоса. 8. Насос по п.6, отличающийся тем, что капиллярная трубка, проходящая в донную часть сильфона напорного резервуара, присоединена к капиллярному отверстию. 9. Насос по одному из пп.4 - 7, отличающийся тем, что донный клапан имеет сильфон, на одном конце которого расположено седло донного клапана, а другим концом опирается на корпус с возможностью воздействия корпуса донного клапана на седло донного клапана в закрытом положении.