ВОДЯНОЙ НАСОС С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ПРИВОДОМ Российский патент 2005 года по МПК F04B9/00 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для водоснабжения, в частности для сельскохозяйственного водоснабжения с использованием открытых потоков.

Известен штанговый поршневой насос, включающий цилиндр, всасывающую трубу, в конце которой установлен всасывающий клапан. Нагнетательный клапан размещен в поршне, приводимом в движение штангой. При движении поршня вверх одновременно совершается всасывание в нижней части цилиндра под поршнем и нагнетание в верхней части цилиндра над поршнем. При перемещении поршня вниз всасывающий клапан закрыт, а нагнетательный открыт. При этом вода из нижней части цилиндра поступает в его верхнюю часть, процессы нагнетания и всасывания прекращаются. Насос применяется в водоснабжении и нефтяном деле [Циклаури Д.С. Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки. - М.: Стройиздат, 1970. - С.146-147].

Недостатком является то, что для привода штанговых насосов необходима электрическая или механическая энергия (двигатель внутреннего сгорания), то есть он не является энергосберегающим и применяется для работы в буровых скважинах.

Известен гидравлический мультипликатор. Он состоит из неподвижного рабочего цилиндра, в котором размещен подвижный пустотелый плунжер диаметром D, а внутри его - неподвижный плунжер диаметром d. Необходимым условием является D>d. По оси неподвижного плунжера проложена трубка, соединенная с прессом. Жидкость, сжатая в гидравлическом аккумуляторе или трубопроводе, подается в неподвижный цилиндр и поднимает вверх подвижный плунжер и по трубке поступает в пресс или другой рабочий орган с увеличенным давлением по сравнению с тем, которое было создано в гидравлическом аккумуляторе (трубопроводе) (Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины. Харьков: Харьковский ун-т, 1970. - С.62-63].

Недостатком является то, что гидравлический мультипликатор имеет функциональную направленность на повышение давления и не может использоваться как водоподъемник и не является энергосберегающим.

Известен двигатель Кузьмина, предназначенный для использования в машиностроении для привода различных машин и механизмов. Двигатель содержит питательную емкость воды, гильзы, поршни, перемещаемые по направляющим стержням, впускные и выпускные каналы и клапаны, распределительный вал с кулачками, кинематически связанный с коленчатым валом. Гильзы расположены ниже коленчатого вала. Между гильзой и поршнем уплотнение отсутствует. Совершение рабочего хода осуществляется при помощи силы Архимеда. Изобретение обеспечивается простотой конструкции и экологической безопасностью [RU №2140562 С1, 27.10.99].

Известное решение предназначено для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и не может непосредственно использоваться в качестве водоподъемника, то есть имеет иную функциональную направленность.

Известен пружинный приводной механизм, применяющийся в конструкциях электрических и других аппаратов вместе с ручным, электромагнитным и другим приводным устройством, который, совершая операцию отключения или включения, взводит аккумулирующую пружину и, следовательно, подготавливает аппарат для операции включения или отключения [Электротехнический справочник. 4 т. Т.2. Электротехнические устройства. М. МЭИ, 2001, с.296-300].

Пружинный приводной механизм с применением аккумулирующей пружины может быть применен в гидравлических двигателях с энергосберегающим приводом для быстрого (мгновенного) открытия дроссельных клапанов и задвижек на подводящих и отводящих каналах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является водяной насос с энергосберегающим приводом, предназначенным для сельскохозяйственного водоснабжения с использованием открытых потоков. Водяной насос содержит питательную емкость для воды, впускной и выпускной каналы, впускной и выпускной клапаны, цилиндр рабочей камеры с фильтром и всасывающим клапаном, неподвижный напорный трубопровод, расположенный внутри цилиндра рабочей камеры соосно и оборудованный напорным клапаном, уплотнение между цилиндром рабочей камеры и напорным трубопроводом [RU №2198324 С2, 10.02.2003].

Недостатком рассматриваемого технического решения является сложная кинематическая связь между поршнем и распределительным валом, не обеспечивающая надежность функционирования системы клапанов. Так, при частичном одновременном открытии впускного и выпускного клапанов в процессе совершения рабочего хода поршня - такта нагнетания в какой-то промежуток времени вода из питательной емкости будет перетекать в выпускной канал с резким уменьшением скорости движения поршня и КПД насоса. Известно, что работа насоса основана на использовании подъемной силы Архимеда. При этом результирующая подъемная сила может быть определена как:

где Р_A - сила Архимеда, Н; G - сила тяжести подвижных частей, Н; Т_тр - сила трения, вызванная наличием уплотнения между цилиндром рабочей камеры и напорным трубопроводом, Н.

Из уравнения (1) следует, что чем меньше масса поршня и цилиндра рабочей камеры, тем полнее используется Р_A и повышается КПД насоса. Но при совершении холостого хода (движение поршня вниз) с уменьшением массы подвижных частей произойдет зависание поршня, необходимо, чтобы G>Т_mp.

То есть для работы насоса необходимо повысить массу поршня и цилиндра рабочей камеры с заведомым снижением КПД насоса. Кроме этого, тарельчатые впускной и выпускной клапаны создают высокие потери напора "Н".

Задача изобретения - повышение коэффициента полезного действия водяного насоса с энергосберегающим приводом за счет обеспечения одновременного и быстрого (мгновенного) открытия (закрытия) впускного и выпускного каналов с минимально допустимой массой поршня и цилиндра рабочей камеры исходя из расчета их прочности.

Указанная задача достигается тем, что в водяном насосе с энергосберегающим приводом, включающем питательную емкость для воды, впускной и выпускной каналы, впускной и выпускной клапаны, поршень, снабженный цилиндром рабочей камеры с фильтром и всасывающим клапаном, неподвижный напорный трубопровод, расположенный внутри цилиндра рабочей камеры соосно и оборудованный напорным клапаном, уплотнение между подвижным цилиндром рабочей камеры и напорным трубопроводом, кинематическую связь между поршнем и впускным и выпускным клапанами, пустотелый поршень в верхней части оборудован кронштейном, а в днище поршня имеются отверстия, а их открытие и закрытие осуществляется подвижным клапаном-поплавком, свободно перемещающимся под действием силы Архимеда и тяжести по наружной поверхности цилиндра рабочей камеры.

Кроме того, кинематическая связь дроссельных клапанов подводящего и отводящего каналов с поршнем осуществляется шарнирными тягами и муфтами свободного хода. Насос снабжен аккумулирующей пружиной для создания импульсов быстрого закрытия и открытия дроссельных клапанов, установленной в неподвижной стойке, снабженной беговой дорожкой с шариком, установленным в оголовке стержня, снабженного шарнирной втулкой и гайкой.

На фиг.1 - общий вид насоса, в котором указано положение поршня, цилиндра рабочей камеры, всасывающего и напорного клапанов, клапана-поплавка, дроссельных клапанов, аккумулирующей пружины и тяг при достижении поршня верхней мертвой точки (ВМТ). На фиг.2 - то же при достижении поршня нижней мертвой точки (НМТ). На фиг.3 - пружинный приводной механизм.

Водяной насос с энергосберегающим приводом, представленный на фиг.1, 2, 3, включает в себя поршень 1, гильзу 2, клапан-поплавок 3, напорный трубопровод 4, всасывающий клапан 5, напорный клапан 6, рабочую камеру 7, уплотнение 8, ограничители 9, 10, фильтр 11, отверстие 12, уплотнение 13, кронштейн 14, рычаги 15, 16, 17, 18, тяги 19, 20, 21, 22, 23, дроссельные клапаны 24, 25, муфты свободного хода 26, 27, питательную емкость 28, впускной канал 29, выпускной канал 30, аккумулирующую пружину 31, седла аккумулирующей пружины 32, 33, гайку 34, шарнирную втулку 35, стержень 36 с оголовком 37, шарик 38, беговую дорожку 39, стойку 40, задвижку 41 (Н - уровень воды в питательной емкости; Р_а - атмосферное давление).

Описываемое изобретение реализуется следующим образом. Для запуска насоса в работу открывается задвижка 41. При этом поршень 1 находится в нижнем положении, дроссельный клапан 24 закрыт, а дроссельный клапан 25 открыт. Заполнение водой кольцевого пространства между гильзой 2 и клапаном-поплавком 3 приводит к образованию подъемной силы Архимеда и подъему клапана-поплавка 3. За счет уплотнений 13 перекрываются отверстия 12, расположенные в днище поршня 1. Сила тяжести клапана-поплавка 3 меньше силы Архимеда. Достижение водой верхнего уровня поршня 1 приводит к образованию подъемной силы Архимеда, за счет которой клапан-поплавок 3 и поршень 1 движутся вверх. Скорость движения воды в кольцевом зазоре равна скорости движения поршня. Объем рабочей камеры 7 уменьшается и в ней создается избыточное давление, всасывающий клапан 5 закрывается, а напорный клапан 6 открыт, вода поступает в напорный трубопровод 4. Уплотнения 8 между цилиндром рабочей камеры 7 и напорным трубопроводом 4 исключают утечки воды из рабочей камеры. При достижении поршня 1 ВМТ за счет инерционности массы воды в кольцевом пространстве ее часть перетечет в поршень 1 (см. фиг.1). Одновременно с подъемом поршня 1 перемещается вверх кронштейн 14, шарнирно закрепленный на верхней части поршня 1 и шарнирно соединенный с рычагом 15. Тяга 19 также шарнирно соединена с рычагом 15, перемещается наконечником в муфте свободного хода 26 до упора в тягу 20, шарнирно соединенную с оголовком 37 стержня 36 (см. фиг.3). Таким образом, стержень 36 под действием тяги 20 смещается до вертикального положения, перемещаясь относительно шарнирной втулки 35. При этом шарик 38 перемещается по беговой дорожке 39 неподвижной стойки 40, сжимая через оголовок 37 стержня 36 аккумулирующую пружину 31, установленную в седлах пружины 33, 39. Натяжение пружины 31 регулируется гайкой 34. При достижении поршнем 1 ВМТ тяга 20 смещает стержень 36 с оголовком 37 из вертикального (нейтрального) положения и аккумулирующая пружина 31 быстро перемещает их в боковое положение вместе с тягами 22, 21 и за счет рычагов 16, 17, 18 и тяги 23 открывает дроссельный клапан 24 и закрывает дроссельный клапан 24. Следует иметь в виду, что перемещение тяги 20 до вертикального положения осуществляет перемещение тяги 22 в муфте свободного хода 27 до упора в тягу 21. Таким образом завершился рабочий ход поршня 1 с совершением такта нагнетания воды в напорный трубопровод 4 с открытием дроссельного клапана 24, обеспечивающего выпуск воды из гильзы 2 через выпускной канал 30 с закрытием дроссельного клапана 25, прекращающего поступление воды в гильзу 2 через впускной канал 29. При этом ход поршня 1 при его движении от НМТ до ВМТ равен пути перемещения тяги 19 в контакте с тягой 20 внутри муфты свободного хода 26 с перемещением тяги 20 до установления вертикального положения стержня 36 и аккумулирующей пружины 31 в неподвижной стойке 40 и контактом тяг 22, 21 в муфте свободного хода 27.

Выпуск воды из гильзы 2 сопровождается быстрым снижением уровня воды в кольцевом объеме между поршнем 1 и гильзой 2, при этом результирующая подъемная сила равна нулю. Движение поршня осуществляется за счет силы тяжести поршня 1, гильзы рабочей камеры 7 и воды, находящейся в поршне 1. Напорный клапан 6 закрыт под действием давления в напорном трубопроводе 4. Увеличение объема рабочей камеры 7 приводит к образованию в ней разрежения, всасывающий клапан 5 открыт. Происходит наполнение рабочей камеры 7 водой. Снижение уровня воды ниже, чем высота клапана-поплавка 3, сопровождается его опусканием до ограничителя 9, открывается отверстие 12 и вода вытекает из поршня 1 (см. фиг.2). Соприкосновению поршня 1 с ограничителем 10 соответствует НМТ поршня 1. При движении поршня вниз (холостой ход) и достижении поршнем НМТ за счет кронштейна 14, рычагов 15, 16, 17, 18, тяг 19, 20, 21, 22, 23, муфт свободного хода 26, 27 и пружинно-приводного механизма (см. фиг.3) дроссельный клапан 24 закрывается, а дроссельный клапан 25 открывается (см. фиг.2). Заполнение гильзы 2 водой приводит к образованию силы Архимеда, действующей на клапан-поплавок 3. Он поднимается вверх, перекрывая отверстие 12 и герметизируя его уплотнением 13. Дальнейшее наполнение гильзы 2 приводит к образованию подъемной силы Архимеда на поршне 1 и под действием результирующей силы Архимеда, действующей на клапан-поплавок 3 и поршень 1, он приводится в движение к ВМТ. В рабочей камере 7 создается избыточное давление, всасывающий клапан 5 закрывается, а напорный клапан 6 открыт. Осуществляется рабочий ход - нагнетание воды в напорный трубопровод 4 и процессы чередуются. Фильтр 11 обеспечивает очистку воды от механических примесей. Питательная емкость 28 с напором "Н" за счет задвижки 41 и впускного канала 29 обеспечивает работу энергосберегающего водяного насоса.

Преимуществом описываемого технического решения по сравнению с прототипом является изменение кинематической связи, осуществляемой цепной передачей с вращением распределительного вала с кулачками на кинематическую связь с применением шарнирных тяг, пружинного приводного механизма и дроссельных клапанов. Такая связь обеспечивает быстрое (мгновенное) и технологически надежное открытие (закрытие) дроссельных клапанов. Сжатие аккумулирующей пружины пружинно-приводного механизма и преодоление сил трения уплотнений 8 о стенки цилиндра рабочей камеры 7 при совершении холостого хода поршня (движение поршня 1 вниз) обеспечивается не только силой тяжести от массы поршня 1, цилиндра рабочей камеры 7, фильтра 11 и всасывающего клапана 5, а дополнительно силой тяжести воды, инерционно-перетекающей в пустотелый поршень 1 при его положении в ВМТ. Сила, обеспечивающая холостой ход поршня в прототипе, составит:

для предлагаемого технического решения:

G - сила тяжести подвижных частей, Н; Т_тр - сила трения, Н; G’ - сила тяжести воды, Н.

Имеется возможность обеспечить минимально допустимую массу поршня 1 и цилиндра рабочей камеры 7 с учетом их прочности и повысить скорость движения поршня. Наличие клапана-поплавка 3 не снижает результирующую подъемную силу Архимеда, действующую на поршень 1. Снижение силы тяжести G (уравнение (1) обеспечит повышение эффективности использования силы Архимеда, а в совокупности с увеличением скорости движения поршня 1 при холостом ходе - повышение КПД водяного насоса с энергосберегающим приводом. Насос, экологически чистый, может работать с напором 0,5 м и более за счет открытых потоков (ручьи, речки и пр.), обеспечивая потребности в воде людей, животных, для полива, орошения сельскохозяйственных культур и пожаротушения.

Устройство предназначено для использования в водоснабжении, в частности в сельскохозяйственном водоснабжении с использованием открытых потоков. Пустотелый поршень в верхней части оборудован кронштейном, в днище которого имеются отверстия. Открытие и закрытие клапанов осуществляется подвижным клапаном-поплавком, свободно перемещающимся под действием силы Архимеда и тяжести по наружной поверхности цилиндра рабочей камеры. Кинематическая связь дроссельных клапанов подводящего и отводящего каналов с поршнем осуществляется шарнирными тягами и муфтами свободного хода. Насос, экологически чистый, может работать с напором 0,5 м и более за счет открытых потоков (ручьи, речки и пр.), обеспечивая потребности в воде людей, животных, для полива, орошения сельскохозяйственных культур и пожаротушения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Водяной насос с энергосберегающим приводом, включающий питательную емкость для воды, впускной и выпускной каналы, впускной и выпускной клапаны, поршень, снабженный цилиндром рабочей камеры с фильтром и всасывающим клапаном, неподвижный напорный трубопровод, расположенный внутри цилиндра рабочей камеры соосно и оборудованный напорным клапаном, уплотнение между подвижным цилиндром рабочей камеры и напорным трубопроводом, кинематическую связь между поршнем и впускным и выпускным клапанами, отличающийся тем, что пустотелый поршень в верхней части оборудован кронштейном, а в днище поршня имеются отверстия, а их открытие и закрытие осуществляется подвижным клапаном-поплавком, свободно перемещающимся под действием силы Архимеда и тяжести по наружной поверхности цилиндра рабочей камеры.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что кинематическая связь дроссельных клапанов подводящего и отводящего каналов с поршнем осуществляется шарнирными тягами и муфтами свободного хода.3. Насос по п.2, отличающийся тем, что он снабжен аккумулирующей пружиной для создания импульсов быстрого закрытия и открытия дроссельных клапанов, установленной в неподвижной стойке, снабженной беговой дорожкой с шариком, установленным в оголовке стержня, снабженного шарнирной втулкой и гайкой.