УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2003 года по МПК F04B43/02 

Изобретение относится к области перекачивающих устройств, а именно к устройствам для одновременной перекачки различных жидких сред.

Известно устройство для одновременной перекачки жидких сред, например пластинчатый роторный насос, включающий корпус с всасывающими и нагнетательными патрубками, эксцентрично установленный ротор, снабженный по длине радиальными каналами, в которых подвижно размещены кинематически связанные с ротором пластинчатые элементы, разделяющие всасывающую и нагнетательную полости насоса. Ротор выполнен с осевым каналом, в котором неподвижно установлена уплотненная относительно ротора продольная перегородка, разделяющая осевой канал на две изолированные между собой полости, радиальные каналы в роторе выполнены сквозными, а к пластинчатым элементам по всей длине со стороны осевого канала ротора прикреплены поршни, при этом со стороны корпуса радиальные каналы уплотнены относительно пластинчатых элементов, а со стороны осевого канала снабжены перфорированной перегородкой (патент РФ 2105200, кл. F 04 С 2/344, 1994 г.).

Недостатком известного устройства является ограниченная область его использования, так как оно не обеспечивает возможность одновременной перекачки более двух различных жидких сред. К недостатку известного устройства относится также невозможность регулирования отношения объемных расходов перекачиваемых сред, которые определяются заданными геометрическими размерами нагнетательных полостей насоса.

Известно устройство для перекачки жидких сред, содержащее цилиндрические емкости с разделителями внутреннего объема, выполненными в виде эластичных диафрагм, имеющих форму треугольных призм, образующими напорную и приводную камеры, ребра призм связаны с жесткими опорными элементами, расположенными вдоль образующих цилиндрических емкостей, трубопроводы для подвода и отвода перекачиваемой среды и трубопроводы для подвода и отвода приводной среды соединены с емкостями по разные стороны разделителя через управляемые клапаны (Патент РФ 1652245, кл. В 65 G 53/50, 1988 г.).

Недостатком известного устройства также является ограниченная область его использования, так как оно не обеспечивает возможность перекачки более одной жидкой среды.

Цель изобретения - расширение области использования, а именно обеспечение возможности одновременной перекачки нескольких различных жидких сред с регулированием отношения их объемных расходов.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном устройстве, в отличие от известного устройства для перекачки жидких сред, включающем цилиндрические емкости, в каждой из которых размещен разделитель внутреннего объема, образующий напорную и приводную камеры и выполненный в виде эластичной диафрагмы, связанной с жесткими опорными элементами, расположенными вдоль образующих цилиндрических емкостей, трубопроводы для подвода и отвода перекачиваемой жидкой среды и трубопроводы для подвода и отвода приводной среды, соединенные с емкостями по разные стороны разделителя через управляемые клапаны, диафрагма выполнена цилиндрической формы, внутри емкости установлен с возможностью взаимодействия с диафрагмой компенсатор, выполненный в виде жестких перфорированных пластин, закрепленных с опорными элементами, расположенными вдоль образующих емкостей с получением пластин выпуклой формы, а каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси емкости с образованием напорной камеры, заключенной между скрепленной с соседними опорными элементами пластиной и частью образующей емкости между теми же опорными элементами, при этом число напорных камер равно числу перекачиваемых жидких сред, длина пластин равна длине части образующей цилиндрической емкости, заключенной между соседними опорными элементами, отношение площадей поперечного сечения напорных камер равно отношению объемных расходов перекачиваемых жидких сред.

Отличается устройство и тем, что пластины компенсатора облицованы материалом с низким коэффициентом трения, например фторoпластом.

Цилиндрический разделитель может быть составлен из отдельных плоских полотнищ, соединенных с пластинами компенсатора в местах крепления к опорным элементам.

Количество как подводимых, так и отводимых трубопроводов, по которым перекачиваются жидкие среды, равно числу жидких сред.

Наличие компенсатора в виде жестких перфорированных пластин, симметрично выгнутых выпуклостью в сторону оси емкости, позволяет обеспечивать для каждой пластины равенство длины пластин и длины части образующей цилиндрической емкости, соответствующей данной пластине, обеспечить отношение ограничиваемых ими площадей поперечного сечения емкости равным заданному отношению объемных расходов перекачиваемых жидких сред. Наличие перфорации пластин обеспечивает возможность передачи высокого давления, создаваемого в приводной жидкости, на разделитель и перекачиваемые жидкие среды. Наличие жестких пластин компенсатора позволяет сформировать напорные камеры заданного поперечного сечения для каждой из перекачиваемых жидких сред, вследствие чего объемные расходы через эти камеры пропорциональны их площадям поперечного сечения. Равенство длин пластин и соответствующей части образующей цилиндрической емкости позволяет обеспечить равновесное, недеформируемое состояние разделителя в начале и конце такта вытеснения жидких сред из напорных камер.

Выполнение разделителя в виде эластичной цилиндрической камеры позволяет технологически упростить образование заданного количество напорных камер с одинаковой длиной части разделителя, образующего эти напорные камеры в начале и конце такта вытеснения перекачиваемых жидких сред, и тем самым свести к минимуму соответствующие циклические деформации и нормальные напряжения, действующие в разделителе, повысив его циклическую прочность и долговечность.

Изготовление разделителя из отдельных плоских полотнищ, соединенных с пластинами компенсатора в местах крепления к опорным элементам, повышает ремонтопригодность разделителя, поскольку при повреждении отдельной пластины разделителя производится только ее замена, а не всего разделителя, как в случае разделителя цилиндрической формы.

Облицовка пластин компенсатора материалом с низким коэффициентом трения, например фторoпластом, понизит механическое усилие, возникающее при взаимодействии разделителя с пластинами компенсатора (наложении разделителя на пластины компенсатора), и повысит износостойкость разделителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - сечение А - А на фиг.1 при перекачке пяти жидких сред с равными объемными расходами; на фиг.3 - узел II на фиг.2 - разделитель цилиндрической формы; на фиг.4 - узел I на фиг.2, разделитель составлен из плоских пластин; на фиг.5 - сечение А - А при перекачке трех сред с равными объемными расходами; на фиг.6 - сечение А - А при перекачке двух сред с равными расходами; на фиг.7 - сечение А - А при перекачке трех сред с отношением расходов 1:0,5:0,3 и на фиг.8 - сечение А - А при перекачке четырех сред с отношением расходов 1 : 1 : 0,8 : 0,4.

Устройство включает две или более цилиндрические емкости 1, в каждой из которых размещен разделитель 2 перекачиваемых жидких сред, выполненный в виде эластичной диафрагмы цилиндрической формы и образующий изолированные друг от друга приводную камеру 3 и напорные камеры 4 (см. фиг.1). Внутри емкости 1 установлен компенсатор 5, взаимодействующий с разделителем 2. Компенсатор 5 выполнен в виде жестких перфорированных пластин, выгнутых выпуклостью в сторону оси емкости 1, связанных с жесткими опорными элементами 6, расположенными вдоль образующих емкости 1. Опорные элементы 6 выполнены в виде стержней, жестко связанных со стенками емкости 1 (см. фиг.2). Опорные элементы 6 снабжены элементами крепления 7 (например, резьбовыми) разделителя 2 и компенсатора 5 к емкости 1 (см. фиг.3 - разделитель цилиндрической формы и фиг.4 - разделитель составлен из плоских полотнищ).

Объем, ограниченный пластинами компенсатора и участками образующей емкости, скрепленными соседними опорными элементами, образуeт напорные камеры. Оставшаяся часть объема цилиндрической емкости составляет приводная камера.

С емкостями 1 через клапанные устройства 8 (каждая группа включает N клапанных устройств, на фиг.1 показана одна группа) связаны коммуникационные трубопроводы 9 (каждая группа включает N трубопроводов, на фиг.1 показан один) низкого давления перекачиваемых жидких сред; через клапанное устройство 10 связан коммуникационный трубопровод 11 низкого давления приводной жидкости; через клапанное устройство 12 связан трубопровод 13 высокого давления приводной жидкости; через клапанные устройства 14 (каждая группа включает N клапанных устройств, на фиг.1 показано одно) связаны трубопроводы 15 (каждая группа включает N трубопроводов, на фиг.1 показан один) высокого давления перекачиваемых жидких сред.

Устройство работает следующим образом.

Перед запуском установки формируется ее исходное состояние. Для этого напорные камеры 4 (все N штук) обеих емкостей 1 заполняются перекачиваемыми жидкими средами по коммуникационным трубопроводам 9 низкого давления перекачиваемых жидких сред. В конце этого процесса эластичные разделители 2 накладываются на компенсатор 5 и занимают положение, указанное на фиг.2 позицией 16. Приводная камера 3 первой емкости 1 заполняется приводной жидкостью по коммуникационному трубопроводу 13 высокого давления приводной жидкости и происходит процесс вытеснения перекачиваемых сред в трубопроводы высокого давления 15. В конце этого процесса эластичный разделитель 2 накладывается на внутреннюю сторону емкости 1 и занимает положение, указанное на фиг.2 позицией 17, и происходит заполнение приводной жидкостью камеры 3 второй емкости 1 по коммуникационному трубопроводу 13.

При этом в первой емкости 1, после окончания поступления приводной жидкости в камеру 3, происходит заполнение перекачиваемыми жидкими средами напорных камер 4 по коммуникационным трубопроводам 9, а приводная жидкость из приводной камеры 3 вытесняется в трубопровод низкого давления 11.

В последующем процессы заполнения и вытеснения перекачиваемых жидких сред и приводной жидкости в первой и второй емкостях чередуются.

При этом открываются соответствующие этой емкости клапанные устройства 12 и 14, и перекачиваемые среды нагнетаются в трубопроводы 15 высокого давления перекачиваемых сред. Клапанные устройства 8 и 10 для этой емкости находятся в положении "закрыто".

Одновременно с этим процессом в напорные камеры 4 другой емкости 1, в которой разделитель 2 занимал исходную позицию 17, подаются перекачиваемые среды по коммуникационным трубопроводам 9 низкого давления жидких сред. При этом открываются соответствующие этой емкости клапанные устройства 8 и 10, и приводная жидкость вытесняется перекачиваемыми жидкими средами в трубопровод 11 низкого давления приводной жидкости. Клапанные устройства 12 и 14 для этой емкости находятся в положении "закрыто". По окончании этих процессов разделитель 2 в первой емкости 1 занимает позицию 17, а во второй емкости 1 - позицию 16. При дальнейшей работе установки емкости 1 меняются ролями - в первой происходит процесс заполнения перекачиваемыми жидкими средами из коммуникационных трубопроводов 9 низкого давления перекачиваемых жидких сред, а во второй - процесс нагнетания перекачиваемых жидких сред в трубопроводы 15 высокого давления перекачиваемых сред. Клапанные устройства 8, 10, 12 и 14 обеспечивают своими положениями в режимах "открыто" и "закрыто" поступления перекачиваемых жидких сред и приводной жидкости в напорные и приводные камеры в соответствующие емкости по соответствующим циклограммам, учитывающим время заполнения и нагнетания перекачиваемых жидких сред и приводной жидкости и т.п.

Примеры реализации устройства.

Общая последовательность выбора конструктивных размеров разделителя и пластин компенсатора следующая.

Если объемные расходы перекачиваемых сред равны, а их общее число равно N, то центральный угол, определенный относительно оси емкости, соответствующий одной напорной камере, то есть одной пластине компенсатора, равен α = 360^°/N, a длина соответствующей дуги разделителя L=2πR/N (R - внутренний радиус емкости). В этих же местах устанавливаются опорные элементы. Поскольку поперечные сечения напорных камер не должны пересекаться и с учетом геометрической симметрии, следует, что если N≥4, то наибольшая площадь поперечного сечения напорных камер, удовлетворяющая условию, что длина кольцевой части разделителя, емкости и соответствующей пластины компенсатора равны, достигается, если пластина компенсатора будет образована частью окружности того же радиуса, что и внутренний радиус емкости, направленной выпуклостью внутрь нее. Площадь поперечного сечения каждой из N напорной камеры равна s = R²(2π/N-sinα), a всех N камер - S = R²(2π-Nsinα). На фиг.2 представлено поперечное сечение цилиндрического разделителя при N = 5 (α = 72^°).
В случае N = 3 длина дуги L = 2R, а площадь поперечного сечения каждой из трех напорных камер равна s = R², всех трех S = 3R², а α = 114,6^°. На фиг.5 представлено поперечное сечение разделителя при N = 3.

В случае N = 2 длина дуги L = 2πR/3, а площадь поперечного сечения каждой из двух напорных камер равна s = R²(2π/3-sin120^°), а двух S = 2,45R², a α = 120^°. При N = 2 поперечное сечение каждой напорной камеры максимально. На фиг.6 представлено поперечное сечение разделителя при N = 2.

В случае если объемные расходы Q различны, определение конструктивных размеров производится методом последовательных приближений.

Принимается, что Q₁ ≤ Q₂ ≤ Q_i ≤...≤Q_N и соответствующие им центральные углы α_i = 360^°•Q_i/(∑Q_i). В качестве первого приближения определяются площади напорных камер, соответствующие i-ой жидкой среде s_i = R²(πα_i/180^°-sinα_i). Общая площадь напорных камер в одной емкости S = ∑s_i<πR². Далее, с учетом того, что максимальное поперечное сечение одной напорной камеры достигается при N = 2, s_max = R²(2π/3-sin120^°) и α₁ = α_max = 120^°, рассчитываются величины s_i. Прямым построением проверяется, вписываются ли напорные камеры внутрь емкости. Если не вписываются, то задается значение α₁₁<α₁ для первой напорной камеры с максимальным поперечным сечением; определяются ее конструктивные размеры и с учетом соотношений s₁/s_i = Q₁/Q_i рассчитываются конструктивные размеры остальных напорных камер. Снова прямым построением проверяется вписываемость напорных камер в емкость. Если этого не происходит, задается α₁₂<α₁₁ и процесс расчета повторяется. Процесс расчета завершается после того, как все напорные камеры вписываются в поперечное сечение емкости.

Примеры расчета конструктивных параметров.

1. Q₁=1; Q₂ =0,5; Q₃=0,3. Задавая s₁ = s_max = R²(2π/3-sin120^°) = 1,227R² и α₁ = α_max = 120^°, с учетом условий s₁/s₂ = Q₁/Q₂ находим s₂= 0,614R², α₂ = 92,5^°, а с учетом условий s₁/s₃ = Q₁/Q₃ находим s₃ = 0,369R², α₂ = 77^°.
Прямое построение на фиг.7 показывает, что при выбранных конструктивных параметрах напорные камеры вписываются в поперечное сечение емкости.

2. Q₁ = 1; Q₂ = 1; Q₃=0,8; Q₄=0,4. Задавая α₁ = α₂ = α_max = 120^°, находим s₁ = s₂ = s_max = R²(2π/3-sin120^°) = 1,227R² и из условия s₁/s₃ = Q₁/Q₃ находим s₃ = 0,982R², α₃ = 110^°, а из условия s₁/s₄ =Q₁/Q₄ находим s₄= 0,49R², α₃ = 88,5^°. Прямое построение показывает, что данные напорные камеры не вписываются в поперечное сечение емкости. Задаемся α₁ = α₂ = 99^°, определяем s₁ = s₂ = R²(πα₁/360-sin99^°) = 0,739R², из условия s₁/s₃= Q₁/Q₃ находим s₃ = 0,587R², α₃ = 91^°, а из условия s₁/s₄ = Q₁/Q₄ находим s₄ = 0,293R², α₄ = 71^°. Прямое построение на фиг.8 показывает, что при найденных конструктивных размерах все напорные камеры вписываются в поперечное сечение емкости.

По предлагаемому устройству в ГУП НПО "Гидротрубопровод" будет выполнен и испытан промышленный образец установки, содержащий две емкости, в каждой из которых будут размещены три напорные и одна приводная камеры. Устройство позволит перекачивать одновременно три различные жидкости с заданным отношением расходов.

Изобретение предназначено для использования в гидромашиностроении для одновременной перекачки различных жидких сред. Устройство включает цилиндрические емкости, в каждой из которых размещен разделитель внутреннего объема, образующий напорную и приводную камеры. Эластичная диафрагма связана с жесткими опорными элементами, расположенными вдоль образующих цилиндрических емкостей. Содержит трубопроводы для подвода и отвода перекачиваемой жидкой среды и трубопроводы для подвода и отвода приводной среды, соединенные с емкостями по разные стороны разделителя через управляемые клапаны. Диафрагмы выполнены цилиндрической формы. Внутри емкости установлен с возможностью взаимодействия с диафрагмой компенсатор. Компенсатор выполнен в виде жестких перфорированных пластин, закрепленных с опорными элементами, расположенными вдоль образующих емкостей, с получением выпуклой формы пластин. Каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси емкости с образованием напорной камеры, заключенной между скрепленной с соседними опорными элементами пластиной и частью образующей емкости между теми же опорными элементами. Число напорных камер равно числу перекачиваемых жидких сред, длина пластин равна длине части образующей цилиндрической емкости, заключенной между соседними опорными элементами. Отношение площадей поперечного сечения напорных камер равно отношению объемных расходов перекачиваемых жидких сред. Кроме того, пластины компенсатора облицованы материалом с низким коэффициентом трения, например фторопластом. Цилиндрический разделитель может быть составлен из отдельных плоских полотнищ, соединенных с пластинами компенсатора в местах крепления к опорным элементам. Обеспечивается возможность одновременной перекачки нескольких различных жидких сред с регулированием отношения их объемных расходов. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для перекачки жидких сред, включающее цилиндрические емкости, в каждой из которых размещен разделитель внутреннего объема, образующий напорную и приводную камеры и выполненный в виде эластичной диафрагмы, связанной с жесткими опорными элементами, расположенными вдоль образующих цилиндрических емкостей, трубопроводы для подвода и отвода перекачиваемой жидкой среды и трубопроводы для подвода и отвода приводной среды, соединенные с емкостями по разные стороны разделителя через управляемые клапаны, отличающееся тем, что диафрагма выполнена цилиндрической формы, внутри емкости установлены с возможностью взаимодействия с диафрагмой компенсаторы, каждый из которых выполнен в виде жесткой перфорированной пластины, закрепленной опорными элементами, расположенными вдоль образующих емкостей, с получением выпуклой формы пластины, каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси емкости с образованием напорной камеры, заключенной между скрепленной с соседними опорными элементами пластиной и частью образующей емкости между теми же опорными элементами, при этом число напорных камер равно числу перекачиваемых жидких сред, длина пластин равна длине части образующей цилиндрической емкости, заключенной между соседними опорными элементами, отношение площадей поперечного сечения напорных камер равно отношению объемных расходов перекачиваемых жидких сред. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластины компенсатора облицованы материалом с низким коэффициентом трения, например фторопластом. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрический разделитель составлен из отдельных плоских полотнищ, соединенных с пластинами компенсатора в местах крепления к опорным элементам.