ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F04B9/04 

Настоящее изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, а конкретно - к насосам преимущественно для работы на несмазывающей жидкости, и может быть использовано в нефтяной, химической, горной, металлургической и других отраслях промышленности при перекачке и нагнетании жидкостей.

Известен плунжерный насос, содержащий корпус с выполненным в нем картером для жидкой смазки, в котором размещены эксцентриковый приводной вал и шатун, связывающий эксцентрик приводного вала с плунжером, образующим в корпусе камеру для нагнетаемой жидкости (каталог-справочник "Гидравлическое оборудование". Часть 1, Москва, 1967 г., насос типа УН 100).

Насосы этого типа оснащены наиболее простыми средствами смазки и охлаждения трущихся поверхностей, например, разбрызгиванием или поливом смазки от низконапорных вспомогательных насосов.

При такой смазке трение скольжения, как правило, граничное, т.е. сопровождается сравнительно высокими потерями и быстрым нагревом трущихся деталей. Тепло от нагретых деталей через их поверхность передается охлаждающей жидкости посредством теплообмена, что определяет низкую эффективность теплоотвода. Для поддержания теплового равновесия на допустимом уровне в таких насосах применяют:
- переход на подшипник качения, где это возможно, с целью снизить интенсивность тепловыделения (за счет снижения потерь трения);
- снижение скорости вращения насоса с той же целью;
- увеличение объема прокачиваемой через насос смазочно-охлаждающей жидкости с целью компенсации недостаточной эффективности теплообменного процесса;
- увеличение внешней поверхности насоса с целью увеличения непосредственной теплоотдачи во внешнюю среду.

Все эти меры увеличивают габаритно-весовые характеристики насоса, усложняют систему охлаждения и конструкцию насоса в целом. Кроме того, снижение скоростей обычно компенсируется увеличением диаметра и хода плунжеров, что сопровождается ростом нагрузок на привод насоса и отрицательно сказывается на надежности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является известный насос, описанный в патенте Германии 2747843. Данный насос содержит корпус с выполненным в нем картером для жидкой смазки, в котором размещены эксцентриковый приводной вал и шатун, связывающий эксцентрик приводного вала с двухступенчатым плунжером, одна ступень которого образует в корпусе камеру для нагнетаемой жидкости, а другая ступень образует изолированную от камеры для нагнетаемой жидкости смазочную камеру с линией подачи жидкой смазки в сопряжение шатуна с эксцентриком приводного вала.

В данном насосе делается попытка решения вопроса смазки и охлаждения одного из главных источников тепловыделения - сопряжения шатуна с эксцентриком приводного вала.

Смазка в сопряжение, которое образует пару трения скольжения, подается принудительно из смазочной камеры в процессе хода нагнетания. Линия подачи смазки включает кольцевой канал вокруг эксцентрика, из которого смазка по зазору в сопряжении шатуна с эксцентриком вытесняется в картер.

Учитывая, что зазор в сопряжении шатуна с эксцентриком приводного вала в ходе нагнетания приобретает эксцентричную форму, сводясь к нулю в зоне приложения нагрузки от эксцентрика к шатуну и имея максимум на противоположной стороне сопряжения, смазка в зоне приложения нагрузки будет по-прежнему граничной, сопровождаемой интенсивным трением, тепловыделением и износом трущихся деталей, а теплоотвод будет осуществляться в зоне увеличения зазора на противоположной стороне сопряжения, куда устремится весь поток вытесняемой смазки. Практически это означает, что тепло от нагретых из-за трения в зоне приложения нагрузки деталей будет передаваться смазке посредством теплообмена. При этом эффективность такого теплообмена может даже понизиться по сравнению с вышеописанным насосом из-за периодичности вытеснения смазки через зазор. Кроме того, необходимо отметить, что арсенал средств для поддержания теплового равновесия в данном случае даже сократится, так как переход на подшипники качения невозможен, а снижение скорости вращения влечет за собой также уменьшение объема прокачиваемой через зазор жидкости, т.е. ухудшения условий теплоотвода.

В основу настоящего изобретения положена задача создать плунжерный насос повышенной надежности, конструктивное выполнение которого обеспечивает более эффективные смазку и охлаждение шатуна с эксцентриком приводного вала за счет вытеснения смазки через зону приложения нагрузки в сопряжении с образованием гарантированного жидкостного слоя, разделяющего сопряженные поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в плунжерном насосе, содержащем корпус с выполненным в нем картером для жидкой смазки, в котором размещены эксцентриковый приводной вал и шатун, связывающий эксцентрик приводного вала с двухступенчатым плунжером, одна из ступеней которого образует в корпусе камеру для нагнетаемой жидкости, а другая образует изолированную от камеры для нагнетаемой жидкости смазочную камеру с линией подачи жидкой смазки в сопряжение шатуна с эксцентриком приводного вала, согласно изобретению, на сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна выполнена осесимметричная полость, расположенная оппозитно камере для нагнетаемой жидкости и сообщенная со смазочной камерой посредством канала, а линия подачи жидкой смазки образована указанными осесимметричной полостью и каналом.

Благодаря тому, что на сопрягаемой поверхности шатуна выполнена осесимметричная полость, расположенная оппозитно камере для нагнетаемой жидкости (т. е. в зоне приложения нагрузки в сопряжении шатуна с эксцентриком приводного вала) и сообщенная со смазочной камерой, смазка, вытесняемая из смазочной камеры, действуя на стенки полости, преодолевает нагрузку на плунжер со стороны камеры для нагнетаемой жидкости и размыкает сопряженные поверхности шатуна и эксцентрика после достижения определенного давления. Таким образом образуется зазор (в пределах, позволяемых сопряжением), через который смазка выходит в картер. При этом образовавшийся зазор заполнен смазкой, что гарантирует жидкостное трение с минимальными потерями и износом.

Образовавшееся при дросселировании смазки в зазоре тепло уносится смазкой непосредственно в картер без участия процессов теплообмена, благодаря чему значительно повышается эффективность теплоотвода, позволяя равноценное (с известным насосом) охлаждение осуществлять меньшим количеством жидкости.

Для сокращения времени, в течение которого нагретая при дросселировании смазка взаимодействует с окружающими деталями, отдавая им часть своего тепла, а также для большей определенности при расчете давления вытесняемой смазки, целесообразно, чтобы на сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна вокруг осесимметричной полости была бы выполнена канавка, связанная с картером каналом.

В этом случае нагретая при дросселировании смазка попадает в канавку и далее по кратчайшему пути в картер, унося с собой большую часть тепла. Из картера жидкость переходит в контур очистки и охлаждения вне насоса, откуда возвращается обратно в смазочную камеру.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и сопровождающим чертежом, на котором изображена конструктивная схема насоса, разрез по шатуну.

Плунжерный насос содержит корпус 1 с выполненным в нем картером 2 для жидкой смазки, в котором размещен эксцентриковый приводной вал 3. В расточках корпуса 1 установлен двухступенчатый плунжер 4, одна ступень которого образует камеру 5 для нагнетаемой жидкости, закрытую пробкой 6, а другая - смазочную камеру 7, изолированную от камеры 5.

Плунжер 4 связан с эксцентриковым приводным валом 3 при помощи шатуна 8.

На поверхности шатуна 8, сопрягаемой с поверхностью эксцентрика приводного вала 3, выполнена осесимметричная полость 9, которая сообщена посредством канала 10 со смазочной камерой 7 и расположена оппозитно камере 5. Кроме того, вокруг осесимметричной полости 9 может быть выполнена канавка 11, связанная с картером 2 посредством канала 12 минимальной протяженности.

В корпусе 1 установлены обратный клапан 13 для связи смазочной камеры 7 с линией 14 подачи жидкой смазки в сопряжение шатуна с эксцентриком, а также всасывающий и нагнетательный клапаны 15 и 16 соответственно, соединяющие камеру 5 соответственно с всасывающей и нагнетательной внешними магистралями (на чертеже не показаны) насоса.

Предлагаемый плунжерный насос работает следующим образом.

При вращении эксцентрикового приводного вала 3 плунжер 4 совершает возвратно-поступательное движение, при этом происходят последовательные циклы заполнения камеры 5 нагнетаемой жидкостью из всасывающей магистрали через всасывающий клапан 15 и вытеснения ее через нагнетательный клапан 16 в нагнетательную магистраль к потребителю.

Одновременно происходят последовательные циклы заполнения жидкой смазкой смазочной камеры 7 из линии 14 через обратный клапан 13 и вытеснения жидкой смазки из смазочной камеры 7 в полость 9. При вытеснении жидкой смазки в смазочной камере 7 развивается давление, величина которого определяется нагрузкой со стороны камер 5 и 7, а также площадью оппозитной этой нагрузке полости 9. Учитывая, что давление в рабочей камере 5 определяется рабочим режимом насоса и может считаться в каждом конкретном случае постоянной величиной, а давление в смазочной камере 7 может возрастать практически беспредельно (так как смазка при нагнетательном цикле имеет только один выход), сопряженные поверхности шатуна 8 и эксцентрика вала 3 размыкаются и по образовавшемуся при этом зазору вытесняемая смазка выходит в картер 2, производя смазывание поверхностей и отвод от них тепла. При такой смазке трение на сопряженных поверхностях шатуна 8 и эксцентрика вала 3 носит преимущественно жидкостный характер при значительном снижении нагрузок в сопряжении из-за разгружающего действия полости 9. В связи с этим потери трения в сопряжении в целом невелики.

Основное тепло выделяется при дросселировании вытесняемой жидкости в образовавшемся зазоре. Однако такое тепло отводится значительно проще, так как выходящая из зазора жидкость забирает основную часть тепла без передачи ее окружающим деталям. В этом случае равноценное охлаждение может осуществляться меньшим количеством жидкости. Нагретая жидкость непосредственно уходит в контур охлаждения и очистки (на чертеже не показан), откуда возвращается в линию 14.

Учитывая, что при работе кривошипно-шатунного механизма расход жидкости, вытесняемой из смазочной камеры 7, а вслед за ним и величина образующегося зазора между поверхностями шатуна 8 и эксцентрика вала 3 будут переменными с максимумом в районе середины хода плунжера 4, соединение шатуна 8 с эксцентриком вала 3 имеет люфт для обеспечения свободного раздвигания образующих зазор поверхностей и свободного выхода жидкости (для схемы по чертежу люфт образуется за счет разницы диаметров отверстия в шатуне и эксцентрике).

При использовании плунжерного насоса с высоким давлением на входе (например, в качестве усилителя потока, создаваемого центробежным насосом, при нагнетании воды в нефтяную скважину, когда давление на входе может достигать 20 МРа при давлении на выходе до 35 МРа), плунжеры в цикле заполнения работают в моторном режиме. Для разгрузки и смазки сопряжения шатуна 8 с эксцентриком вала 3 в этот период давление P₁ в линии 14 выбирается из условия:
P₁≥k P₂+ΔP_n (1)
где k - размерный коэффициент, равный

F₁ - площадь вытеснения смазочной камеры 7;
F₂ - площадь вытеснения камеры 5;
F₃ - площадь осесимметричной полости 9 оппозитной камеры 5;
Р₂ - максимальное давление нагнетаемой жидкости на входе в насос;
ΔP_n - сопротивление на входе в смазочную камеру 7, определяемое опытным путем. Практически ΔР_n≤5 кгс/см².

В этом случае полость 9 разгружает сопряжение за счет давления из линии 14.

Таким образом, в предлагаемом насосе по сравнению с прототипом трение в сопряжении шатуна 8 с эксцентриком вала 3 преимущественно жидкостное и главным источником теплообразования является дросселирование жидкости в зазоре сопряжения при максимально возможном исключении из теплоотвода процессов теплообмена.

Отсюда, чем меньше расход смазки через зазор и чем меньше перепад давления на нем, тем меньше образуется тепла.

При подборе давления и расхода смазки в смазочной камере 7, следует учитывать, что с увеличением размеров полости 9 перепад давления уменьшается (так как увеличивается площадь, на которую действует нагрузка), а расход должен увеличиваться, так как возрастает длина периметра и требуется больше жидкости для поддержания необходимой толщины протекающего по зазору слоя. Однако, поскольку сама по себе, толщина слоя, которую, нужно поддерживать, невелика (достаточной была бы толщина, обеспечивающая жидкостное трение), площадь вытеснения смазочной камеры 7 близка к минимуму, допустимому из конструктивных соображений, и изменение ее вследствие изменений размеров полости 9 не вносит существенных корректив в габариты плунжера 4.

При выборе размера полости 9 можно исходить из соображений достаточности. Как показывает практика эксплуатации масляных насосов с гидростатическими подпятниками, в настоящее время можно считать вполне отработанными и достаточно надежными конструкции, работающие при частоте вращения порядка 1500 об/мин и при давлениях нагнетания до 320 кгс/см² и выше, причем размер полости 9 во всех таких насосах меньше, чем диаметр плунжера 4.

Для плунжерных насосов, выполненных согласно изобретению, последнее соотношение не обязательно, однако показывает, что на выбор размеров узла, включающего сопряжение шатуна 8 с эксцентриком вала 3, полость 9 в большинстве случаев практически не влияет.

В целом использование настоящего изобретения позволяет помимо повышения эксплуатационной надежности существенно повысить быстроходность насоса, а значит его энергоемкость, и снизить габаритно-весовые показатели, а также упростить систему теплоотвода за счет уменьшения расхода охлаждаемой жидкости.

Изобретение предназначено для использования в нефтяной, химической, горной, металлургической и других отраслях промышленности при перекачке и нагнетании жидкостей. Насос содержит корпус с выполненным в нем картером для жидкой смазки. В нем размещены эксцентриковый приводной вал и шатун, связывающий эксцентрик приводного вала с двухступенчатым плунжером. Одна из ступеней плунжера образует в корпусе камеру для нагнетаемой жидкости. Другая образует изолированную от камеры для нагнетаемой жидкости смазочную камеру с линией подачи жидкой смазки в сопряжение шатуна с эксцентриком приводного вала. На сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна выполнена осесимметричная полость, расположенная оппозитно камере для нагнетаемой жидкости и сообщенная со смазочной камерой посредством канала. Линия подачи жидкой смазки образована осесимметричной полостью и каналом. На сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна вокруг осесимметричной полости выполнена канавка, связанная с картером каналом. Повышается надежность, более эффективно обеспечивается смазка и охлаждение шатуна с эксцентриком приводного вала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плунжерный насос, содержащий корпус с выполненным в нем картером для жидкой смазки, в котором размещены эксцентриковый приводной вал и шатун, связывающий эксцентрик приводного вала с двухступенчатым плунжером, одна из ступеней которого образует в корпусе камеру для нагнетаемой жидкости, а другая образует изолированную от камеры для нагнетаемой жидкости смазочную камеру с линией подачи жидкой смазки в сопряжение шатуна с эксцентриком приводного вала, отличающийся тем, что на сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна выполнена осесимметричная полость, расположенная оппозитно камере для нагнетаемой жидкости и сообщенная со смазочной камерой посредством канала, а линия подачи жидкой смазки образована указанными осесимметричной полостью и каналом. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что на сопрягаемой с эксцентриком поверхности шатуна вокруг осесимметричной полости выполнена канавка, связанная с картером каналом.