МНОГОПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 2001 года по МПК F04B1/00 

Изобретение относится к насосостроению, а именно к многоплунжерным насосам, имеющим кривошипно-ползунный дезаксиальный механизм привода.

Известен многоплунжерный насос с кривошипно-ползунным механизмом привода плунжеров (Верзилин О.И. Современные буровые насосы. М., 1971, С.215, рис. 81).

Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является многоплунжерный насос, включающий кривошипно-шатунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и ползуны, соединенные с плунжерами с расположением осей ползунов в различных плоскостях в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (см. напр., а.с. N 1707220, кл. F 04 В 1/00, 1989 г. ).

Существенными недостатками известного решения являются неравномерность подачи рабочей среды и пульсации давления на выходе и на входе насоса, а также неравномерность приводного момента на протяжении одного оборота коленчатого вала.

Уменьшение воздействия этих недостатков обычно достигается увеличением числа цилиндров и использованием дополнительных приспособлений, в частности противовесов и маховиков, и гасителей пульсаций, например демпферов или воздушных колпаков, что приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости насоса.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является устранение отмеченных недостатков работы насоса, снижение его габаритов и массы.

Сущность изобретения заключается в том, что многоплунжерный насос, включающий кривошипно-ползунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, выполнен с элементами кривошипно-ползунного механизма для соседних цилиндров с разными геометрическими параметрами.

При этом могут быть изменены геометрические параметры следующих элементов.

Угол между кривошипами может быть переменным и изменяться при переходе от одной пары смежных цилиндров к последующей.

Радиус кривошипа может иметь переменную величину, а шатуны могут иметь переменную длину, которые могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному.

Диаметры плунжеров могут быть выполнены переменными, они могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному.

Может быть переменной величина дезаксиала, она может изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному.

Кроме того, ползуны могут быть выполнены в виде призматических элементов, снабженных общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой, при перемещении внутри которой они взаимодействуют между собой и с ее внутренней поверхностью.

По сравнению с прототипом (а.с. N 1707220) изобретение содержит отличительные признаки, заключающиеся в том, что элементы кривошипно-ползунного механизма выполнены с переменными геометрическими параметрами.

Угол между кривошипами может быть переменным и изменяться при переходе от одной пары смежных цилиндров к последующей.

Радиус кривошипа может иметь переменную величину, а шатуны могут иметь переменную длину, которые могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному.

Диаметры плунжеров и величина дезаксиала могут быть выполнены переменными, они могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному.

Кроме того, ползуны могут быть выполнены в виде призматических элементов, снабженных общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой, при перемещении внутри которой они взаимодействуют между собой и с ее внутренней поверхностью.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - многоплунжерный насос, продольный разрез;
- на фиг.2 - то же, план;
- на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2;
- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.2, вариант с призматическими ползунами.

Для наглядности чертежа многоплунжерный насос изображен в трехплунжерном варианте.

Многоплунжерный насос включает корпус 1, с размещенным в нем кривошипно-ползунным дезаксиальным механизмом, имеющий коленчатый вал 2 с кривошипами 3, шатуны 4 и расположенные в разных плоскостях ползуны 5, передвигающиеся в направляющих 6 или непосредственно в корпусе 1 и соединенные с плунжерами 7, образующими рабочие камеры 8 в блоке цилиндров 9, имеющем всасывающий 10 и нагнетательный 11 клапаны для каждой рабочей камеры и всасывающий 12 и нагнетательный 13 коллекторы, общие для всех цилиндров.

Вместо плунжера возможно использование других вытеснителей, например поршней, диафрагм и т.п.

Вращение коленчатого вала 2 может быть обеспечено каким-либо двигателем непосредственно или через встроенную или отдельную передачу (на чертеже не показано).

На чертеже обозначены также дезаксиальное смещение e₁ и e₂ по обе стороны горизонтальной плоскости 14; угол -α между смежными кривошипами коленчатого вала 2; диаметр d плунжеров 7 (или других вытеснителей), а также l - длина шатунов 4 и r - радиус кривошипов 15.

Угол -α между кривошипами 15 (фиг. 1) может быть переменным и изменяться при переходе к следующей паре смежных цилиндров, оставаясь в пределах радиана,
где i - число цилиндров в насосе. Величина угла зависит от конкретных значений геометрических параметров - радиуса кривошипа, длины шатуна и величины дезаксиала.

Переменными могут быть выполнены радиус r кривошипа 3 и длина l шатуна 4 при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, причем изменение отношения должно находиться в пределах ± 25% (фиг. 1 и 2).

Такое изменение может быть обеспечено как изменением величины r - радиуса кривошипа 3, так и изменением величины l - длины шатуна 4, или изменением обеих величин на одном из смежных цилиндров, или изменением величины r на одном из смежных цилиндров и изменением величины l на другом смежном цилиндре.

Могут быть выполнены переменными и диаметры d плунжеров 7 при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, в пределах колебаний их отношения ± 20% (фиг.2).

Величина дезаксиала e также может быть переменной, при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, при этом отношение этой величины к длине шатуна l на смежных цилиндрах находится в пределах ± 20% (фиг. 1 и 2).

Кроме изменения геометрических параметров, может быть изменена и форма ползунов (фиг.4).

Ползуны могут быть выполнены в виде призматических элементов 15 и снабжены общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой 16, внутри которой они имеют возможность перемещаться, взаимодействуя между собой и с внутренней поверхностью буксы 16.

В этом варианте в основании призматических элементов 15 лежит круговой сектор с центральным углом, равным
где i - число цилиндров в насосе, и с радиусом R, равным внутреннему радиусу цилиндрической буксы 16. Возможно также перемещение призматических ползунов 15 непосредственно в расточке корпуса 1.

Указанные пределы изменения геометрических параметров приняты на основе предварительных исследований и расчетов.

Изменение указанных геометрических параметров и формы могут выполняться как отдельно для каждого элемента, так и в любом их сочетании.

Конкретные значения изменяемых величин определяются заданными параметрами насоса и принятыми параметрами механизма.

Необходимо отметить также, что указанные геометрические параметры являются переменными именно в статике (в изготовленном насосе) и назначаются при разработке его конструкции.

Многоплунжерный насос работает следующим образом.

Посредством шатунов 4 и ползунов 5 вращение коленчатого вала 2 преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжеров 7 в рабочих камерах 8 блока цилиндров 9.

При движении плунжеров 7 (или других вытеснителей) от передней мертвой точки влево объем рабочей камеры 8 увеличивается, а давление в ней уменьшается до величины, меньшей давления во всасывающем коллекторе 12. После чего открывается всасывающий клапан 10, а нагнетательный клапан 11 закрывается высоким давлением жидкости в нагнетательном коллекторе 13. Далее рабочая камера 8 заполняется жидкостью. Эта стадия рабочего процесса продолжается до достижения плунжером 7 задней мертвой точки и начала его движения в противоположном направлении.

Постепенно объем рабочей камеры 8 уменьшается, всасывающий клапан 10 закрывается, давление в цилиндре увеличивается, а нагнетательный клапан 11 открывается и жидкость поступает в нагнетательный коллектор 13.

При исполнении ползунов в виде призматических элементов 15 нормальные составляющие сил давления жидкости воспринимаются не индивидуальными направляющими 6, а цилиндрической буксой 16, имеющей более развитую поверхность контакта и, соответственно, меньшую величину удельных нагрузок.

При описанной работе многоплунжерного насоса возникает необходимость в сглаживании неравномерности подачи и пульсации давления на выходе и входе насоса, а также неравномерности приводного момента на протяжении одного оборота коленчатого вала.

Это обеспечивается выполнением элементов кривошипно- ползунного механизма, т.е. угла между кривошипами, радиуса кривошипа, длины шатуна, диаметра плунжера и дезаксиала с переменными геометрическими параметрами, а также изменением формы ползунов, т.е. выполнением их в виде призматических элементов 15 с буксой 16 (фиг.4).

Конкретные значения изменяемых величин определяются заданными параметрами насоса и принятыми параметрами механизма - расчетными радиусом кривошипа, длиной шатуна, дезаксиалом, диаметром вытеснителя и числом цилиндров.

Скорость жидкости на выходе из каждого цилиндра (и на входе в цилиндр) определяется законом движения ползуна 5, а скорость жидкости в нагнетательном 13 (всасывающем 12) коллекторе и на выходе (входе) из насоса, следовательно, и закон изменения подачи - суммой скоростей выхода жидкости из всех цилиндров (или входа жидкости в цилиндры).

Неравномерность подачи δ измеряется, как отношение разности максимальной и минимальной ее величины к средней:

Как известно, подача одного i-го цилиндра определяется уравнением:

где
Положительная величина Q_i свидетельствует о ходе нагнетания, отрицательная - о ходе всасывания.

Подача насоса представляет собой сумму подач всех цилиндров по уравнению, взятую при их движении во время хода нагнетания.

Таким образом

По приведенным выше уравнениям можно определить Q_макс, Q_мин, Q_ср и функциональную зависимость:
δ = F(α_i,e_i,l_i,r_i,d_i,i)
Математический анализ этой зависимости позволяет установить минимальное значение неравномерности δ в зависимости от заданных и установленных по конструктивным соображениям параметров механизма.

Уравнение неравномерности суммарного приводного момента (без учета механических потерь) математически подобно уравнению неравномерности подачи, поэтому оптимизация зависимости для подачи обеспечивает минимальные пульсации момента.

Как показали предварительные исследования и расчеты, изменяя указанные параметры или форму в отдельности для каждого элемента или в любом сочетании и в указанных выше пределах, можно добиться снижения неравномерности и пульсаций, по сравнению с прототипом, в три-пять раз без увеличения габаритов и массы насоса.

Изобретение предназначено для использования в насосостроении в многоплунжерных насосах, имеющих кривошипно-ползунный дезаксиальный механизм привода с расположением осей ползунов в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала. Элементы кривошипно-ползунного механизма для соседних цилиндров выполнены с разными геометрическими параметрами. Могут быть переменными по отдельности или в любом сочетании угол между кривошипами, радиус кривошипа и длина шатуна, величина дезаксиала, а также форма ползуна, который может быть выполнен в виде призматических элементов, расположенных в общей цилиндрической буксе. Снижается неравномерность подачи рабочей среды и пульсаций давления на выходе и входе насоса, а также неравномерность приводного момента. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Многоплунжерный насос, включающий кривошипно-шатунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, отличающийся тем, что элементы кривошипно-шатунного механизма для соседних цилиндров выполнены с разными геометрическими параметрами. 2. Многоплунжерный насос по п.1, отличающийся тем, что угол между кривошипами для каждой пары смежных цилиндров выполнен разной величины. 3. Многоплунжерный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что радиус кривошипа для каждого из смежных цилиндров имеет разную величину. 4. Многоплунжерный насос по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что шатуны каждого из смежных цилиндров выполнены разной длины. 5. Многоплунжерный насос по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что плунжеры каждого из смежных цилиндров имеют разные диаметры. 6. Многоплунжерный насос по пп.1, 2, 3, 4 или 5, отличающийся тем, что смежные цилиндры имеют разную величину дезаксиала. 7. Многоплунжерный насос по пп.1, 2, 3, 4, 5 или 6, отличающийся тем, что ползуны выполнены в виде призматических элементов и снабжены общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой, при перемещении внутри которой они взаимодействуют между собой и с ее внутренней поверхностью.