ГИДРОПРИВОДНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F04B43/06 F04B47/06 

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к конструкциям гидроприводных насосов с возвратно - поступательно движущимися рабочими органами. Оно предназначено для подъема воды из водоемов на большую высоту с использованием потенциальной энергии воды водоемов.

Известно устройство для подъема жидкости с использованием потенциальной энергии воды в плотине, содержащее подающую трубу с ударным клапаном, насос с упругой диафрагмой, водосборник, сообщающийся со всасывающим клапаном и воздушный колпак с нагнетательным клапаном (1).

К недостаткам данной конструкции относятся:
- низкий КПД из-за периодической деформации стенок труб и вследствие того, что значительная часть объема протекающей по подающей трубе воды переливается через края водосборника вниз;
- малая эксплуатационная надежность ввиду того, что система постоянно находится в состоянии вибрации из-за периодических гидравлических ударов, что приводит к разрушению системы.

Известно также устройство, преобразующее потенциальную энергию воды через гидравлические удары в механическую, содержащее два параллельных подающих трубопровода с обратными клапанами, ударный клапан, коленчатый вал с маховым колесом, цилиндры с поршнями и штоками, переливные трубопроводы (2).

Недостатки устройства:
- низкий КПД, вследствие деформации стенок труб, приводящей к рассеиванию энергии удара;
- низкая эксплуатационная надежность ввиду того, что система работает в режиме повышенной вибрации, выводящей ее из строя;
- сложность конструкции, обусловленная наличием сложного ударного клапана и большого количества поршневых пар и клапанов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, преобразующее потенциальную энергию воды в плотине в механическую с использованием ее для привода исполнительной машины, содержащее гидродвигатели, каждый из которых включает корпус, поршневой узел, связанный с клапанным узлом, имеющим впускной и выпускной клапаны, соединенный гибкой связью через ролики с преобразователями возвратно-поступательного движения во вращательное (3).

Существенными недостатками устройства являются:
- неудовлетворительная эксплуатационная надежность из-за наличия большого количества трущихся узлов и деталей, использование реверсивного привода и приводов для клапанов и блока управления положением поршней;
- высокие эксплуатационные расходы, обусловленные необходимостью частого привлечения высококвалифицированных специалистов для наладки и ремонта устройства;
- высокая себестоимость узлов и деталей, обусловленная необходимостью изготовления их из высокопрочных и антикоррозионных материалов.

Задачей изобретения является создание гидроприводной насосной установки, обладающей высокой эксплуатационной надежностью и относительно низкими затратами на изготовление и эксплуатацию.

Указанная задача решается предлагаемым устройством, содержащим гидродвигатели, каждый из которых включает корпус, поршневой узел, связанный с клапанным узлом, имеющим впускной и выпускной клапаны, соединенным гибкой связью через ролики с преобразователями возвратно-поступательного движения во вращательное.

Новым является то, что поршневой узел гидродвигателя выполнен в виде поршня-оправки, имеющего продольные каналы и выступы, напоминающие в поперечном сечении профиль шестеренки, в которых расположена перекатывающаяся диафрагма, состоящая из набора эластичных тонкостенных оболочек, наложенных одна на другую, являющихся одна силовой, а другая - герметизирующей; один конец перекатывающейся диафрагмы закреплен к корпусу, а другой - к верхней части поршня-оправки; последний со стороны входа жидкости жестко соединен с тягой, на которой с возможностью продольного перемещения установлен подпружиненный с обеих сторон запорный орган впускного клапана, причем другим концом тяга соединена гибкой связью с траверсой преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, а со стороны выхода жидкости поршень-оправка жестко соединен с корпусом седла и седлом выпускного клапана, запорный орган которого снабжен направляющими, одна из которых опирается на решетчатую крышку со стороны выхода жидкости и подпружинена с обеих сторон относительно крышки, а другая пропущена через решетку со стороны входа жидкости и подпружинена относительно решетки, установленной за седлом; тяга впускного клапана и направляющая со стороны выхода жидкости выпускного клапана снабжены упорами, место присоединения гибкого элемента к преобразователю последующего гидродвигателя относительно предыдущего в направлении движения цепи располагается на расстоянии, определяемом выражением L/n, где L - длина цепи; n- количество преобразователей, снабжена поршневыми насосами, каждый из которых выполнен из двух цилиндров разного диаметра, внутри которых установлен поршень-оправка и снабжен эластичной диафрагмой, один конец которой соединен с поршнем-оправкой, а другой - закреплен между цилиндрами, поршень-оправка соединен со штоком, который в свою очередь связан через гибкий элемент и ролик с траверсой преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное.

На фиг.1 представлена кинематическая схема преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное.

На фиг.2 - схема расположения гидродвигателей.

На фиг. 3 - продольный разрез гидродвигателя, поршневого насоса и схема преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, соединенного гибкими элементами с поршневыми насосами и гидродвигателями.

На фиг.4 - разрез по А - А фиг.3.

На фиг.5 - схема соединения гибких элементов с траверсами.

Гидроприводная насосная установка (фиг.3) состоит из гидродвигателей 1, преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное 2 и поршневого насоса 3.

Гидродвигатель 1 состоит (фиг 3) из цилиндрических корпусов 4 и 5, соединенных между собой муфтой 6, внутри которых установлен поршень-оправка 7 (фиг 4), имеющий продольные каналы и выступы, напоминающие в поперечном сечении профиль шестеренки, в которых расположена перекатывающаяся диафрагма 8, состоящая из набора эластичных тонкостенных оболочек, наложенных одна на другую, являющихся одна силовой, а другая - герметизирующей. Один конец перекатывающейся диафрагмы 8 закреплен между цилиндрическими корпусами 4 и 5, а другой - к верхней части поршня-оправки 7. Последний в верхней части жестко соединен с решеткой-толкателем 9, а она в свою очередь также жестко - с тягой 10, на которой с возможностью продольного перемещения установлен подпружиненный с обеих концов запорный орган 11 впускного клапана. Другим концом тяга 10 соединена через ролик гибкой связью 12 с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное 2. Между цилиндрическим корпусом 4 и входным патрубком 13 установлено седло 14 впускного клапана. В нижней части поршень-оправка 7 жестко соединен с корпусом 15 седла и седлом 16 выпускного клапана, запорный орган 17 которого снабжен направляющими, одна из них 18 через посредство пружин 19 и 20 опирается на решетчатую крышку 21, а другая - 22 свободно пропущена через решетку 23. Запорный орган 17 подпружинен относительно решетки 24, установленной за седлом 16. Тяга 10 и направляющая 18 снабжены соответственно упорами 25 и 26.

Преобразователи возвратно-поступательного движения во вращательное 2 (фиг.1) состоят из корпуса (не показан), в котором установлены четыре соосно расположенных на ведомом валу 27 ведомые шестерни 28, взаимодействующие с ведущими шестернями 29, установленными на соосных валах 30, несущих на себе ведущие звездочки 31. На параллельных валах 32 установлены ведомые звездочки 33, каждая из которых кинематически связана с ведущей звездочкой 31 при помощи бесконечной цепи 34. Последние между собой попарно связаны траверсами 35, к которым шарнирно присоединены тяги 36. На ведомом валу 27 между ведомыми шестернями 28 расположены ролики 37.

Место присоединения траверсы 35 к звеньям смежных цепей преобразователя последующего гидродвигателя относительно предыдущего в направлении движения цепи располагается на расстоянии, определяемом выражением L/n, где L - длина цепи; n - количество преобразователей (траверс).

В примере конкретного исполнения данной заявки используются три траверсы (фиг. 5). Поэтому за один цикл хода траверсы 35 на отрезке 1/6 части цепи в создании крутящего момента (М_кр) на ведомом валу 27 участвуют два гидродвигателя 1, на следующем отрезке участвует один гидродвигатель и такая последовательность повторяется три раза за один цикл.

Поршневой насос 3 (фиг.3) состоит из двух цилиндров 38 и 39 разного диаметра, внутри которых установлен поршень-оправка 40 и снабжен эластичной диафрагмой 41, один конец которой соединен с поршнем-оправкой 40, а другой - закреплен между цилиндрами 38 и 39. Поршень-оправка 40 соединен со штоком 42, который в свою очередь связан через гибкий элемент 43 и ролик 37 (фиг.1) (фиг.3) с траверсой 35 преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное 2. К верхней части цилиндра меньшего диаметра 38 прикреплена головка 44, в которой установлены всасывающий клапан 45 и нагнетательный клапан 46.

Работа гидроприводной насосной установки осуществляется в следующем порядке.

Поток воды из плотины по трубопроводу через питатель 47 (фиг.2) попадает во входные патрубки 13 гидродвигателей 1 (фиг.3).

При движении поршня-оправки 7 в сторону входного патрубка 13 запорный орган 11 закрыт и вода под воздействием перекатывающейся диафрагмы 8 из полостей "а" и "б" направляется в полость "в" и оттуда через решетчатую крышку 21 за пределы гидродвигателя 1. В момент, когда решетка-толкатель 9 коснется запорного органа 11 впускного клапана, она сдвинет его и между ним и седлом 14 впускного клапана образуется кольцевой зазор.

По мере движения поршня-оправки 7 происходит совместное движение запорного органа 17 и седла 16 выпускного клапана, однако оно со временем нарушается. Происходит затормаживание запорного органа 17 пружиной 20. В результате уменьшается зазор "г" выпускного клапана.

Через образовавшийся зазор между запорным органом 11 и седлом 14 впускного клапана вода из полости "д" направляется в полость "а" и "б" и сажает запорный орган 17 на седло 16 выпускного клапана. С этого момента поршень-оправка 7 начинает двигаться в сторону выхода жидкости. Образовавшиеся от потока воды усилия передаются на гибкую связь 12 и тягу 36 (фиг.3) (фиг.1), траверсы 35 и через ролики 37 и гибкий элемент 43 приводят в движение поршни-оправки 40 поршневых насосов 3 (фиг.3). Во время движения поршня-оправки 7 в сторону входного патрубка 13 вода из плотины (не показана) через всасывающий клапан 45 поршневого насоса 3 попадает в полость "ж", при этом эластичная диафрагма 41 перекатывается с поверхности поршня-оправки 40 на внутреннюю поверхность цилиндра 39.

С момента, когда упор 26 коснется пружины 19, последняя начинает сопротивляться движению запорного органа 17 в направлении выхода жидкости. В то же время упор 25 коснется пружины 48 и сдвинет ее в сторону седла 14 впускного клапана, уменьшая тем самым зазор между седлом 14 и запорным органом 11 впускного клапана.

Дальнейшее перемещение седла 16 способствует тому, что пружина 49 сбрасывает с седла 16 выпускного клапана запорный орган 17. В образовавшийся зазор устремляется поток жидкости и в результате этого запорный орган 11 садится на седло 14 впускного клапана. В дальнейшем цикл повторяется.

При ходе поршня-оправки 7 в сторону выхода жидкости эластичная диафрагма 41 поршневого насоса 3 перекатывается с внутренней поверхности цилиндра 39 на поверхность поршня-оправки 40, вытесняя тем самым воду через нагнетательный клапан 46 в трубопровод, а дальше потребителю.

Повышенный напор в поршневом насосе 3 достигается за счет большего пропуска воды через гидродвигатель 1.

По сравнению с известным, предлагаемая гидроприводная насосная установка работает в автоматическом режиме, т.е. для нее не требуется использование специальных приводов для управления клапанами и приводов-преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное.

Применение перекатывающихся эластичных диафрагм исключает заклинивание выталкивателей жидкости в цилиндрах даже при использовании агрессивных жидкостей, а также жидкостей с большим содержанием механических примесей. Все это повышает эксплуатационную надежность и снижает затраты на изготовление и эксплуатацию.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1742525, МКИ F 04 F 7/02, F 04 В 43/06, 1992 г. (аналог).

2. Авторское свидетельство 1231281, МКИ F 04 F 7/02, 1986 г. (аналог).

3. Патент РФ 2127373, МПК F 03 В 13/00, 1999 г. (прототип).

Устройство предназначено для использования в области гидромашиностроения, в частности в конструкциях гидроприводных насосов с возвратно-поступательно движущимися рабочими органами для подъема воды из водоемов на большую высоту с использованием потенциальной энергии воды водоемов. Содержит гидродвигатели, включающие в себя поршневые и клапанные узлы, которые посредством тяг и гибких элементов связаны с преобразователями возвратно-поступательного движения во вращательное. Последние, в свою очередь, через систему роликов и гибких элементов соединены с поршневыми насосами. Устройство обладает высокой эксплуатационной надежностью и относительно низкими затратами на изготовление и эксплуатацию. Обладает высокой эксплуатационной надежностью и относительно низкими затратами на изготовление и эксплуатацию. 5 ил.

1. Гидроприводная насосная установка, содержащая гидродвигатели, каждый из которых включает корпус, поршневой узел, связанный с клапанным узлом, имеющим впускной и выпускной клапаны, соединенным гибкой связью через ролики с преобразователями возвратно-поступательного движения во вращательное, отличающаяся тем, что поршневой узел гидродвигателя выполнен в виде поршня-оправки, имеющего продольные каналы и выступы, напоминающие в поперечном сечении профиль шестеренки, в которых расположена перекатывающаяся диафрагма, состоящая из набора эластичных тонкостенных оболочек, наложенных одна на другую, являющихся одна - силовой, а другая - герметизирующей, один конец перекатывающейся диафрагмы закреплен к корпусу, а другой - к верхней части поршня-оправки; последний со стороны входа жидкости жестко соединен с тягой, на которой с возможностью продольного перемещения установлен подпружиненный с обеих сторон запорный орган впускного клапана, причем другим концом тяга соединена гибкой связью с траверсой преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, а со стороны выхода жидкости поршень-оправка жестко соединен с корпусом седла и седлом выпускного клапана, запорный орган которого снабжен направляющими, одна из которых опирается на решетчатую крышку со стороны выхода жидкости и подпружинена с обеих сторон относительно крышки, а другая - пропущена через решетку со стороны входа жидкости и подпружинена относительно решетки, установленной за седлом, тяга впускного клапана и направляющая со стороны выхода жидкости выпускного клапана снабжены упорами, место присоединения гибкого элемента к преобразователю последующего гидродвигателя относительно предыдущего в направлении движения цепи располагается на расстоянии, определяемом выражением L/n, где L - длина цепи; n - количество преобразователей, снабжена поршневыми насосами, каждый из которых выполнен в виде двух цилиндров разного диаметра, внутри которых установлен поршень-оправка и снабжен эластичной диафрагмой, один конец которой соединен с поршнем-оправкой, а другой - закреплен между цилиндрами, при этом поршень-оправка соединен со штоком, который, в свою очередь, связан через гибкий элемент и ролик с траверсой преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное.