СПОСОБ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И НАСОС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F04B15/02 F04B47/00 F04B53/14 

Область техники

Предложенная группа изобретений относится к способам и устройствам для перекачивания текучих сред и может быть использована в промышленности, на транспорте, в быту при перекачивании жидкостей, а также иных несжимаемых и сжимаемых текучих сред, в том числе при эксплуатации скважин в нефтедобывающей промышленности.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известно оснащение насосов рабочим органом, оснащенным средствами для снижения вероятности его заклинивания в процессе работы насоса (см. патент РФ №2121079, кл. МПК F04D 53/14, опубликованный 27.10.1998). Основным недостатком данного технического решения является то, что в случае если заклинивание рабочего органа все же произошло, то имеющиеся средства не позволяют расклинить его.

Также из уровня техники известен насос, принятый в качестве наиболее близкого аналога предложенных способа перекачивания для перекачки нефти, оснащенный вибратором, который позволяет интенсифицировать приток нефти за счет удаления крупных включений от всасывающего клапана (см. заявку на полезную модель Китая CN 201786622 U, кл. МПК F04B 47/00, опубликованную 06.04.2011), однако данное решение также не решает проблему заклинивания поршня насоса в процессе его работы.

Таким образом, все вышеприведенные технические решения не позволяют решить проблему безостановочной перекачки текучей среды, содержащей мелкие частицы.

Техническая задача и технический результат

Предложенная группа изобретений направлена на устранение вышеотмеченных недостатков и на создание насоса и способа его использования, позволяющих эксплуатировать насосы без ремонта, связанного с заклиниванием поршня в цилиндре.

Технический результат, достигаемый при этом, состоит в снижении вероятности ремонта из-за заклинивания насоса в процессе перекачки жидкости и, как следствие, в повышении надежности его работы.

Сущность созданного технического решения

Данный технический результат достигается при создании насоса, содержащего поршень, цилиндр, всасывающий клапан, нагнетательный клапан, шток, соединенный с поршнем, причем поршень снабжен, по крайней мере, одним вибратором, выполненным с возможностью придания поршню продольных или поперечных или крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси поршня.

Поршень может быть снабжен, по крайней мере, одним дополнительным вибратором для придания поршню поперечных вибраций, причем указанный вибратор размещен таким образом, что направление его вибраций отличается от направления вибраций основного вибратора в плоскости, перпендикулярной воображаемой продольной оси поршня.

Вибраторы для придания поперечных вибраций могут быть размещены на противоположных концах поршня.

Вибраторы для придания поршню продольных или поперечных вибраций могут быть выполнены в виде пьезоэлектрических и/или магнитострикционных актуаторов, причем каждый актуатор одним концом соединен с поршнем, а на другом конце каждого актуатора закреплен груз.

Насос может быть дополнительно снабжен упругим средством, допускающим продольные вибрации поршня относительно штока и размещенным между поршнем и штоком или в штоке.

Участок штока поршня насоса может быть выполнен с поперечным сечением, снижающим его изгибную жесткость.

Насос может быть дополнительно снабжен средством в виде муфты, выполненной с возможностью отклонения выходного полувала на заданный угол от входного полувала, причем входной полувал муфты соединен со штоком, а выходной полувал муфты соединен с поршнем.

Шток поршня насоса может быть дополнительно снабжен средством в виде двух последовательно расположенных муфт, причем каждая муфта выполнена с возможностью отклонения выходного полувала на заданный угол от входного полувала.

Насос может быть дополнительно снабжен упругой пластиной, край упругой пластины закреплен на штоке, противоположный край упругой пластины закреплен на поршне, плоскость упругой пластины параллельна воображаемой оси штока и поршня.

Насос может быть дополнительно снабжен средством в виде муфты, выполненной с возможностью независимого вращения полувалов в пределах заданного угла вращения, причем один полувал муфты соединен со штоком, другой полувал муфты соединен с поршнем.

Кроме того данный технический результат достигается при реализации способа перекачивания текучей среды поршневым насосом, в процессе которого осуществляют перемещения поршня из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение и обратно, причем при перемещении поршня включают, по меньшей мере, одно средство из следующей группы: средство для придания поршню продольных вибраций, средство для придания поршню крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси, средство для придания поршню поперечных вибраций.

В процессе осуществления способа могут создавать волнообразные поперечные вибрации поршня за счет, по меньшей мере, двух средств для придания поршню поперечных вибраций, размещенных на противоположных концах поршня.

В процессе осуществления способа средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в передней части поршня, могут создавать поперечные вибрации передней части поршня; средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в задней части поршня, могут создавать поперечные вибрации задней части поршня того же направления, но другой фазы и/или другой частоты.

Также предложенный технический результат достигается при осуществлении способа перекачивания текучей среды поршневым насосом, в процессе которого осуществляют перемещения поршня из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение и обратно, причем оценивают наличие заклинивания поршня, в случае обнаружения заклинивания активируют, по меньшей мере, одно средство из следующей группы: средство для придания поршню продольных вибраций, средство для придания поршню крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси, средство для придания поршню поперечных вибраций.

В процессе осуществления действий способа могут создавать волнообразные поперечные вибрации поршня за счет, по меньшей мере, двух средств для придания поршню поперечных вибраций, размещенных на противоположных концах поршня.

В процессе осуществления действий способа средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в передней части поршня, могут создавать поперечные вибрации передней части поршня; средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в задней части поршня, могут создавать поперечные вибрации задней части поршня того же направления, но другой фазы и/или другой частоты.

Вибрации могут сопровождать усилием, приложенным к штоку и направленным в сторону, в которую осуществлялось движение перед заклиниванием.

Вибрации могут сопровождать усилием, приложенным к штоку и направленным в сторону, противоположную направлению, в котором осуществлялось движение перед заклиниванием.

Вибрации могут сопровождать усилием, приложенным к штоку и направленным вперед.

Вибрации могут сопровождать усилием, приложенным к штоку и направленным назад.

Вибрации могут не сопровождать усилием, приложенным к штоку.

В процессе осуществления действий способа могут оценивать наличие заклинивания поршня по отсутствию срабатывания датчика прихода поршня в крайнее заднее положение или датчика прихода поршня в крайнее переднее положение.

В процессе осуществления действий способа могут оценивать наличие заклинивания поршня по внезапному изменению энергопотребления привода насоса.

В процессе осуществления действий способа могут оценивать наличие заклинивания поршня по внезапному увеличению силы, действующей от привода насоса к штоку насоса.

В процессе осуществления действий способа могут оценивать наличие заклинивания поршня по внезапному прекращению движения текучей среды, перекачиваемой насосом.

Краткое описание чертежей

Предложенная группа изобретений поясняется следующими графическими изображениями.

Фиг. 1 - насос со средствами для придания поршню продольных, поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси. Изображено на осевом сечении цилиндра и поршня.

Фиг. 2 - конструкция средства для придания поршню поперечных вибраций. Изображено на осевом сечении поршня.

Фиг. 3 - конструкция средства для придания поршню поперечных вибраций. Вид вдоль воображаемой оси поршня.

Фиг. 4 - конструкция средства для придания поршню поперечных вибраций, в которой груз соединен с двумя актуаторами.

Фиг. 5 - конструкция средства для придания поршню крутильных вибраций, расположенного внутри поршня. Продольный разрез перпендикулярно воображаемой оси актуаторов.

Фиг. 6 - конструкция средства для придания поршню крутильных вибраций, расположенного внутри поршня. Поперечный разрез по актуаторам.

Фиг. 7 - насос со средством для придания поршню продольных вибраций. Актуаторы расположены в передней и задней части поршня. В штоке расположено упругое средство для обеспечения продольных вибраций поршня.

Фиг. 8 - насос со средствами для придания поршню поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси. Вибраторы поперечных вибраций в двух перпендикулярных плоскостях расположены в передней и задней частях поршня. Вибратор для придания поршню крутильных вибраций расположен на штоке. На штоке выполнено два участка со сниженной изгибной и крутильной жесткостью.

Фиг. 9 - конструкция средства для придания поршню крутильных вибраций, расположенного снаружи поршня.

Фиг. 10 - насос со средствами для придания поршню крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси. Актуаторы расположены в передней и задней частях поршня. На штоке выполнена кулачковая муфта.

Фиг. 11 - насос со средствами для придания поршню крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси. Актуаторы расположены в передней и задней частях поршня. Шток и поршень соединены плоской упругой пластиной.

Фиг. 12 - вид сверху на плоскую упругую пластину, соединяющую шток и поршень.

Фиг. 13 - насос с вибраторами для придания поршню поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси. Вибраторы поперечных вибраций расположены в передней и задней частях поршня. Вибратор крутильных вибраций расположено в средней части поршня. На штоке выполнены две кулачковые муфты.

Подробное описание технического решения

Насос со средствами для придания поршню продольных, поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси изображен на Фиг. 1. Насос состоит из поршня 1, цилиндра 2, нагнетательного клапана 3, всасывающего клапана 4, штока, 5. Внутри поршня 1 расположен вибратор 6 придания поршню 1 продольных вибраций. Вибратор расположен в средней части поршня 1 на жесткой перегородке 7. Также внутри поршня 1 в передней его части расположены вибраторы 8 и 9 для придания передней части поршня 1 поперечных вибраций во взаимно перпендикулярных плоскостях. Также внутри поршня 1 в средней его части расположен вибратор 10 для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси поршня. Электрические провода, подводящие электроэнергию к вибраторам, не изображены.

Конструкция средства для придания поршню 1 поперечных вибраций изображена на осевом сечении поршня 1 (Фиг. 2). Актуатор 11 (пьезоэлектрического или магнитострикционного типа) закреплен внутри поршня 1 при посредстве упора 12; на противоположном конце актуатора 11 прикреплен груз 13. Упор 12 соединен с поршнем 1 при помощи винтов. Груз 13 может быть дополнительно соединен с упором 12 упругой связью, находящейся в растянутом состоянии, что обеспечивает сжатие актуатора 11. Упругая связь может быть выполнена в виде болта, расположенного в отверстии внутри актуатора 11.

Также конструкция средства для придания поршню 1 поперечных вибраций изображена на виде вдоль воображаемой оси поршня 1 (Фиг. 3).

Конструкция средства для придания поршню 1 поперечных вибраций, в которой груз 13 соединен с двумя актуаторами 11, изображена на осевом сечении поршня 1 (Фиг. 4). Актуаторы 11 (пьезоэлектрического или магнитострикционного типа) закреплены внутри поршня 1 при посредстве упора 12. Упор 12 соединен с поршнем 1 при помощи винтов. У каждого актуатора 11 может быть свой упор 12. Направления вибраций актуаторов 11 совпадают. На противоположном конце каждого актуатора 11 прикреплен край груза 13, при этом груз 13 соединяет актуаторы 11. Груз 13 может быть дополнительно соединен с упором 12 упругими связями, находящимися в растянутом состоянии, что обеспечивает сжатие актуаторов 11. Упругие связи могут быть выполнены в виде болтов, расположенных в отверстиях внутри каждого актуатора 11.

Конструкция средства для придания поршню 1 крутильных вибраций приведена на продольном разрезе поршня 1 перпендикулярно воображаемой оси актуаторов 11 (Фиг. 5). Внутри поршня 1 закреплены при посредстве упоров 14 два актуатора 11 (пьезоэлектрического или магнитострикционного типа). Противоположные концы актуаторов 11 закреплены на валу 15 в средней его части. Актуаторы 11 при продольных вибрациях выполнены с возможностью осуществлять угловые (крутильные) вибрации вала 15. Упоры 14 соединены с поршнем 1 при помощи винтов. Вал 15 может быть дополнительно соединен с каждым упором 14 упругими связями, находящимися в растянутом состоянии, что обеспечивает сжатие актуаторов 11. Упругая связь может быть выполнена в виде болта, расположенного в отверстии внутри каждого актуатора 11. На каждом конце вала 15 закреплено по маховику 16. Поперечный разрез по актуаторам этой же конструкции приведен на Фиг. 6. Электрические провода не изображены.

Насос со средством для придания поршню 1 продольных вибраций изображен на осевом сечении цилиндра 2 и поршня 1 (Фиг. 7). Два актуатора 11 для придания поршню вибраций расположены внутри поршня 1, один актуатор - в передней части, другой актуатор - в задней части. Между актуаторами 11 расположен груз 13. Груз 13 может быть дополнительно соединен с поршнем 1 упругими связями, находящимися в растянутом состоянии, что обеспечивает сжатие актуаторов 11. Упругие связи могут быть выполнены в виде болтов, расположенных в отверстиях внутри каждого актуатора 11.

В штоке 5 расположено упругое средство с возможностью обеспечения продольных вибраций поршня 1. Средство выполнено в виде двух тарельчатых пружин 17, а также обоймы 18, соединяющей участки штока 5 с возможностью их ограниченного осевого перемещения друг относительно друга. Обойма 18 при помощи болта 19 соединена с участком штока 5 с возможностью осевого перемещения относительно болта 19. Болт 19 соединен с поршнем 1. Электрические провода не изображены.

Насос со средствами для придания поршню 1 поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси изображен на осевом сечении цилиндра 2 и поршня 1 (Фиг. 8). Средство 20 для придания поршню 1 крутильных вибраций расположено вне поршня 1, на штоке 5. На штоке 5 выполнено два участка 21 и 22 со сниженной изгибной и крутильной жесткостью. Механические напряжения в материале штока 5 при работе насоса, включая случаи заклинивания поршня 1 в цилиндре 2, не превосходят предельных напряжений при циклическом нагружении для материала штока 5. Электрические провода не изображены.

Средства для придания поршню 1 поперечных вибраций в двух перпендикулярных плоскостях расположены внутри поршня 1. Они выполнены в виде вибраторов 23, 24, 25 и 26 пьезоэлектрического типа. Вибраторы 23 и 24 расположены в передней части поршня 1, вибраторы 25 и 26 - в его задней части.

Направление вибраций вибратора 23 перпендикулярно направлению вибраций вибратора 24. Направление вибраций вибратора 25 перпендикулярно направлению вибраций вибратора 26. Вместе с тем, направление вибраций вибратора 23 совпадает с направлением вибраций вибратора 25.

Конструкция средства для придания поршню 1 крутильных вибраций, расположенного на штоке 5, приведена на поперечном разрезе по актуаторам 11 (Фиг. 9). На участке штока 5 в пазах закреплены два актуатора 11 (пьезоэлектрического или магнитострикционного типа). Противоположные концы актуаторов 11 закреплены на маховике 27 при посредстве упоров 14. Электрические провода не изображены.

Насос со средством для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси изображен на осевом сечении цилиндра 2 и поршня 1 (Фиг. 10). Актуаторы 28 и 29 магнитострикционного типа для придания поршню 1 крутильных вибраций расположены внутри поршня 1, актуатор 28 - в задней части, актуатор 29 - в передней части. Также актуаторы 28 и 29 соединены с маховиком 30.

В штоке 5 выполнена кулачковая муфта 31, обеспечивающая возможность независимого вращения участков штока 5 в пределах некоторого угла вращения. Кулачковая муфта состоит из корпуса 34 и кулачка 35. Электрические провода не изображены.

Еще одна конструкция насоса со средством для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси изображена на осевом сечении цилиндра 2 и поршня 1 (Фиг. 11). Актуаторы 28 и 29 для придания поршню 1 крутильных вибраций расположены внутри поршня 1, актуатор 28 - в задней части, актуатор 29 - в передней части. Также актуаторы 28 и 29 соединены с маховиком 30. Шток 5 и поршень 1 соединены плоской упругой пластиной 36.

Пластина 36 допускает крутильные колебания поршня 1 относительно штока 5. Толщина и материал пластины 36 выбраны такими, что при работе насоса или при заклинивании поршня 1 в цилиндре 2 механические напряжения в ее материале не превышают допустимых для циклического нагружения. Длина пластины 36 выбрана такой, что при работе насоса или при заклинивании поршня 1 в цилиндре 2 она не теряет устойчивость при циклическом действии сжимающих сил в осевом направлении.

Для облегчения конструкции в средней части пластины 36, где механические напряжения невелики, выполнен вырез 37. В поршне 1 выполнено отверстие 38 для электрических проводов. Вид сверху на плоскую упругую пластину 36, соединяющую шток 5 и поршень 1, приведен на Фиг. 12.

Еще одна конструкция насоса со средствами для придания поршню 1 поперечных в двух перпендикулярных плоскостях и крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси изображен на осевом сечении цилиндра 2 и поршня 1 (Фиг. 13). Вибраторы 23, 24, 25 и 26 для придания поршню 1 поперечных вибраций в двух перпендикулярных плоскостях расположены внутри поршня 1. Вибраторы 23 и 24 расположены в передней части поршня 1, вибраторы 25 и 26 - в его задней части. Направление вибраций вибратора 23 перпендикулярно направлению вибраций вибратора 24. Направление вибраций вибратора 25 перпендикулярно направлению вибраций вибратора 26. Вместе с тем, направление вибраций вибратора 23 совпадает с направлением вибраций вибратора 25.

Вибратор 10 для придания поршню 1 крутильных вибраций расположен внутри поршня 1, в средней его части. На штоке выполнены кулачковые муфты 39 и 40. В поршне 1 выполнено отверстие 38 для электрических проводов. Электрические провода не изображены.

Для грузов 13 и маховиков 16, 27, 30 выбран материал, обладающий с высокой плотностью и приемлемой прочностью, например вольфрам, карбид вольфрама, стабильный изотоп урана (U-238), свинец.

Устройство работает следующим образом. На Фиг. 14 схематически изображен поршень 1, движущийся вперед в цилиндре 2. Между стенками цилиндра 2 и поршнем 1 в радиальном зазоре расположены частицы механических примесей. Некоторые частицы по своему размеру меньше величины зазора и они не могут привести к заклиниванию поршня. Некоторые частицы имеют размер, превышающий величину зазора, и они могут привести к заклиниванию поршня. Однако только у частиц 41, 42, 43, 44, 45 расположение такое, что движение поршня 1 вперед приводит к тому, что они заклинивают его. Заклинивание заключается в том, что при движении поршня 1 вперед расстояние между точками контакта А и В у частицы 41 не может уменьшиться. Также не может уменьшиться расстояние между точками С и D у частицы 42, точками Е и F у частицы 43, точками G и Н у частицы 44, точками I и J у частицы 45.

Сила трения в точках контакта с цилиндром 2 и поршнем 1 у частиц 41, 42, 43, 44, 45 достаточно велика, поэтому у большинства частиц при движении поршня 1 вверх проскальзывания в точках контакта не происходит. Происходит разрушение этих частиц или же проскальзывание со значительным трением и износом контактной поверхности поршня 1 или цилиндра 2. Однако при большом количестве подобных частиц силы привода насоса оказывается недостаточно для их разрушения или проскальзывания. В этом случае произойдет остановка поршня 1, то есть заклинивание насоса.

Если поршень 1 вибрирует в осевом направлении, то есть совершает колебательные движения малой амплитуды, то разрушение частиц 41, 42, 43, 44, 45 из приведенного на Фиг. 14 примера происходит легче, поскольку к постоянной силе от привода насоса добавляется переменная сила от источника вибраций. Совместное действие двух сил в те моменты, когда они действуют в одном направлении, приводит к превышению предела прочности материала частиц 41, 42, 43, 44, 45 и к их разрушению, либо к преодолению силы трения в контакте частицы с поверхностью поршня 1 или цилиндра 2. Поршень 1 не заклинивает в цилиндре 2 в этом случае, он двигается и перекачивает текучую среду. Если же вибрацию включили после заклинивания, после разрушения некоторого количества частиц, с большой вероятностью поршень сможет двигаться дальше, то есть произойдет расклинивание.

Если поршень 1 вибрирует в радиальном (перпендикулярном воображаемой оси поршня 1) направлении, например в плоскости Фиг. 14, то разрушение частиц 41, 42, 43, 44, 45 также происходит легче. К постоянной силе от привода насоса добавляется переменная сила от источника вибраций, действующая в перпендикулярном направлении. Равнодействующая этих сил в отдельные моменты больше, чем сила от привода насоса. Этого может быть достаточно, чтобы в некоторых случаях превысить предел прочности материала частиц 41, 42, 43, 44, 45 и их разрушить. Не разрушенные при таких вибрациях частицы не смогут препятствовать движению поршня 1, поскольку суммарная сила их трения о стенки цилиндра 2 или поршня 1 будет меньше, чем сила, действующая на поршень 1 от привода насоса.

Если поршень 1 вибрирует в радиальном направлении в плоскости Фиг. 14, то имеет место еще один эффект, способствующий расклиниванию поршня 1. При микроперемещениях поршня 1 в некоторые периоды времени зазор между поршнем 1 и цилиндром 2 увеличивается. Это иногда приводит к тому, что частицы 41, 42, 43, 44, 45 выходят из соприкосновения с поршнем 1 и/или цилиндром 2 в одной или даже в двух точках, разворачиваются на некоторый угол и перестают быть помехой для движения поршня 1 вперед.

Если поршень 1 совершает крутильные вибрации вокруг своей воображаемой продольной оси, то разрушение частиц 41, 42, 43, 44, 45, как в предыдущем случае, также происходит легче. К постоянной силе от привода насоса добавляется переменная сила от источника вибраций, действующая в перпендикулярном ей направлении и перпендикулярно плоскости чертежа на Фиг. 14. Равнодействующая этих сил в отдельные моменты больше, чем сила от привода насоса. Этого может быть достаточно, чтобы в некоторых случаях превысить предел прочности материала частиц 41, 42, 43, 44, 45 и их разрушить.

Если поршень 1 совершает крутильные вибрации вокруг своей воображаемой оси, то имеет место еще один эффект, способствующий расклиниванию поршня 1. В некоторых случаях в точках соприкосновения частиц 41, 42, 43, 44, 45 с поршнем 1 и/или цилиндром 2 начинается скольжение частицы относительно указанной поверхности. Такую частицу после некоторого числа колебаний разворачивает на некоторый угол относительно воображаемой оси, перпендикулярной продольной воображаемой оси поршня 1, но лежащей в плоскости чертежа на Фиг. 14. Такая частица перестает быть помехой для движения поршня 1 вперед.

Не разрушенные при таких микроколебаниях частицы, а также не развернувшиеся на некоторый угол относительно воображаемой оси, перпендикулярной воображаемой продольной оси поршня 1 частицы не могут препятствовать движению поршня 1, поскольку суммарная сила их трения о стенки цилиндра 2 или поршня 1 меньше, чем сила, действующая на поршень 1 от привода насоса.

На вибратор 6 (Фиг. 1) подают переменное электрическое напряжение, в результате чего поршень 1 совершает вибрации в осевом направлении. На вибраторы 8 и 9 подают переменное электрическое напряжение, в результате чего поршень 1 совершает вибрации в радиальном направлении. На вибратор 10 подают переменное электрическое напряжение, в результате чего поршень 1 совершает крутильные вибрации вокруг своей воображаемой продольной оси. К штоку 5 прикладывают силу от привода насоса, направленную вперед. Поршень 1 движется вперед, выталкивая жидкость, расположенную в цилиндре 2 через открытый нагнетательный клапан 4. Всасывающий клапан 3 при этом закрыт. Вибрации, совершаемые поршнем 1 в результате действия вибраторов 6, 8, 9 и 10, не позволяют частицам механических примесей расклиниться в зазоре между поршнем 1 и цилиндром 2 и привести к заклиниванию насоса. Шток 5 значительной длины имеет вследствие этого невысокую жесткость в продольном, поперечном направлении, а также невысокую крутильную жесткость. Это позволяет поршню 1 вибрировать в цилиндре 2 практически без влияния штока 5.

При достижении крайнего переднего положения привод насоса начинает перемещать поршень 1 в обратном направлении. Нагнетательный клапан 4 при этом закрывается, всасывающий клапан 3 открывается, обеспечивая поступление текучей среды в пространство между поршнем 1 и цилиндром 2. При достижении крайнего заднего положения привод насоса вновь начинает перемещать поршень 1 вперед.

Когда на актуатор 11 (Фиг. 2 и 3) подают переменное электрическое напряжение, сообразно изменению напряжения его длина изменяется. Изменение длины актуатора 11 приводит к изменению расстояния между упором 12 и грузом 13, то есть к колебаниям (вибрации) груза 13. Колебания груза 13 вызывают противоположно направленные поперечные колебания упора 12 и соединенного с ним поршня 1. Аналогичным образом электрические колебания, подаваемые на актуаторы 11 (Фиг. 4), приводит к колебаниям груза 13 и поршня 1.

Когда на актуаторы 11 (Фиг. 5 и 6) подают переменное электрическое напряжение, сообразно изменению напряжения их длины изменяются. Изменение длин актуаторов 11 приводит к крутильным колебаниям (вибрациям) вала 15. Вал 15 осуществляет крутильные колебания (вибрации) маховиков 16. Также изменение длин актуаторов 11 приводит к противоположно направленным крутильным колебаниям (вибрациям) поршня 1.

При работе насоса, изображенного на Фиг. 7, изменение направления движения поршня 1 осуществляют по срабатыванию датчика прихода поршня 1 в крайнее заднее положение или датчика прихода поршня 1 в крайнее переднее положение. При отсутствии срабатывания этих датчиков в течение длительного времени, существенно превышающего время движения поршня 1 от крайнего заднего положения в крайнее переднее положение оценивают, что наступило заклинивания поршня 1 в цилиндре 2. В случае обнаружения заклинивания, активируют средство для придания поршню 1 продольных вибраций.

На актуаторы 11 подают переменное электрическое напряжение. Сообразно изменению напряжения длины актуаторов 11 изменяются. В те периоды времени, когда актуатор 11 в передней части поршня 1 увеличивает свою длину, актуатор 11 в задней части поршня уменьшает свою длину. Изменение длин актуаторов 11 приводит к продольным колебаниям (вибрациям) поршня 1. Вибрации поршня 1 передаются штоку 5. Тарельчатые пружины 17, деформируясь при продольных вибрациях штока, обеспечивают передачу силы от привода насоса. Вибрации поршня 1 сопровождают усилием, приложенным к штоку 5 и направленным в сторону, в которую осуществлялось движение перед заклиниванием.

При работе насоса, изображенного на Фиг. 8, в случае внезапного изменения энергопотребления привода насоса, оценивают, что наступило заклинивания поршня 1 в цилиндре 2. В случае обнаружения заклинивания, активируют средства для придания поршню 1 поперечных вибраций, а также средство для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси. При этом создают волнообразные поперечные вибрации поршня 1 за счет четырех средств для придания поршню 1 поперечных вибраций, размещенных в противоположных концах поршня 1.

На вибратор 23 подают переменное электрическое напряжение, в результате чего он начинает совершать поперечные вибрации передней части поршня 1. На вибратор 24 также подают переменное электрическое напряжение, в результате чего он начинает совершать поперечные вибрации передней части поршня 1 в перпендикулярном направлении. Перемещения передней части поршня 1 в плоскости, перпендикулярной его воображаемой оси, в общем случае осуществляются в различных направлениях. Например, при гармонических колебаниях вибраторов 23 и 24 с кратными частотами траектория колебаний любой точки передней части поршня 1 является так называемой фигурой Лиссажу. Рекомендуется избегать синфазных колебаний и колебаний в противофазе вибраторов 23 и 24 с одинаковой частотой, поскольку результирующее колебание в этом случае имеет одно направление, что не позволяет хорошо очистить зазор между поршнем 1 и цилиндром 2 от механических примесей. Наиболее эффективна работа насоса при синхронных колебаниях вибраторов 23 и 24, фазы у которых отличаются на ¼ периода.

На вибратор 25 подают переменное электрическое напряжение той же частоты, которое подают на вибратор 23, но с задержкой по фазе на ¼ периода колебаний. В результате задняя часть поршня 1 начинает совершать поперечные вибрации с отставанием от передней части. Это приводит к движению поршня 1, напоминающему волнообразное движение, в плоскости, в которой колеблются грузы вибраторов 23 и 25.

На вибратор 26 подают переменное электрическое напряжение той же частоты, которое подают на вибратор 24, но с задержкой по фазе на ¼ периода колебаний. В результате задняя часть поршня 1 начинает совершать поперечные вибрации с отставанием от передней части. Это приводит к движению поршня 1, напоминающему волнообразное движение, в плоскости, в которой колеблются грузы вибраторов 24 и 26. Подобное пространственное волнообразное движение поршня 1 в цилиндре 2 приводит к появлению тока жидкости в зазоре между поршнем 1 и цилиндром 2 в направлении спереди назад.

Когда на актуаторы 11 (Фиг. 9) подают переменное электрическое напряжение, сообразно изменению напряжения их длины изменяются. Изменение длин актуаторов 11 приводит к крутильным колебаниям (вибрациям) маховика 27 и противоположно направленным крутильным колебаниям (вибрациям) поршня 1. Шейки 21 и 22 штока 5 позволяют поршню 1 вибрировать в цилиндре 2 практически без сдерживания штоком 5 этих вибраций.

Вибрации средства для придания поршню 1 (Фиг. 8) поперечных вибраций и средства для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси сопровождают усилием, приложенным к штоку 5 и направленным вперед. При этом в цилиндре 2 создается давление текучей среды, усиливающее ток жидкости в зазоре между поршнем 1 и цилиндром 2, и облегчающее вынос частиц из зазора наружу.

При работе насоса, изображенного на Фиг. 10, в случае внезапного увеличения силы, действующей от привода насоса к штоку насоса, оценивают, что наступило заклинивание поршня 1 в цилиндре 2. В случае обнаружения заклинивания, активируют средство для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси.

На актуаторы 28 и 29 подают переменное электрическое напряжение, сообразно изменению напряжения они осуществляют крутильные колебания (вибрации) маховика 30 и противоположно направленные крутильные колебания (вибрации) поршня 1. Кулачковая муфта 31 позволяет поршню 1 вибрировать в цилиндре 2 без сдерживания штоком 5 этих вибраций.

Крутильные вибрации поршня 1 сопровождают усилием, приложенным к штоку 5 и направленным в сторону, противоположную направлению, в котором осуществлялось движение перед заклиниванием.

При работе насоса, изображенного на Фиг. 11, в случае внезапного прекращения движения текучей среды, перекачиваемой насосом, оценивают, что наступило заклинивание поршня 1 в цилиндре 2. Прекращение движения текучей среды может быть выявлено, например, по показаниям расходомера в напорном трубопроводе или расходомера во всасывающем трубопроводе. В случае обнаружения заклинивания, активируют средство для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси.

На актуаторы 28 и 29 подают переменное электрическое напряжение, сообразно изменению напряжения они осуществляют крутильные колебания (вибрации) маховика 30 и противоположно направленные крутильные колебания (вибрации) поршня 1. Плоская упругая пластина 36 передает усилия от штока 5 к поршню 1, позволяя при этом поршню 1 совершать крутильные вибрации в цилиндре 2 без сдерживания штоком 5 этих вибраций.

Крутильные вибрации поршня 1 сопровождают усилием, приложенным к штоку 5 и направленным назад. В другом варианте осуществления способа вибрации поршня 1 не сопровождают усилием, приложенным к штоку 5.

При работе насоса, изображенного на Фиг. 13, включены средства для придания поршню 1 поперечных вибраций, а также средство для придания поршню 1 крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси. При этом создают волнообразные поперечные вибрации поршня 1 за счет четырех средств для придания поршню 1 поперечных вибраций, размещенных в противоположных концах поршня 1.

На вибратор 23 подают переменное электрическое напряжение, в результате чего он начинает совершать поперечные вибрации передней части поршня 1. На вибратор 24 также подают переменное электрическое напряжение, в результате чего он начинает совершать поперечные вибрации передней части поршня 1 в перпендикулярном направлении. Перемещения передней части поршня 1 в плоскости, перпендикулярной его воображаемой оси, в общем случае осуществляются в различных направлениях. Рекомендуется избегать синфазных колебаний и колебаний в противофазе вибраторов 23 и 24 с одинаковой частотой, поскольку результирующее колебание в этом случае имеет одно направление, что не позволяет хорошо очистить зазор между поршнем 1 и цилиндром 2 от механических примесей.

На вибратор 25 подают переменное электрическое напряжение той же частоты, которое подают на вибратор 23, но с опережением по фазе на ¼ периода колебаний. В результате задняя часть поршня 1 начинает совершать поперечные вибрации, опережающие вибрации передней части. Это приводит к движению поршня 1, напоминающему волнообразное движение, в плоскости, в которой колеблются грузы вибраторов 23 и 25.

На вибратор 26 подают переменное электрическое напряжение той же частоты, которое подают на вибратор 24, но с опережением по фазе на ¼ периода колебаний. В результате задняя часть поршня 1 начинает совершать поперечные вибрации, опережающие колебания передней части. Это приводит к движению поршня 1, напоминающему волнообразное движение, в плоскости, в которой колеблются грузы вибраторов 24 и 26. Подобное пространственное волнообразное движение поршня 1 в цилиндре 2 приводит к появлению тока жидкости в зазоре между поршнем 1 и цилиндром 2 в направлении сзади вперед.

Когда на вибратор крутильных вибраций 10 подают переменное электрическое напряжение, он создает крутильные вибрации поршня 1.

Кулачковая муфта 38 обеспечивает независимое вращение входящего в нее участка штока 5 относительно выходящего из нее участка штока 5 в пределах заданного угла вращения. Кулачковая муфта 39 обеспечивает независимое вращение входящего в нее участка штока 5 относительно поршня 1 в пределах заданного угла вращения. Также кулачковая муфта 38 обеспечивает отклонение на заданный угол выходящего из нее участка штока 5 от входящего в нее участка штока 5. Кулачковая муфта 39 обеспечивает отклонение на заданный угол выходящего из нее поршня 1 от входящего в нее участка штока 5. Кулачковые муфты 39 и 40 позволяют поршню 1 вибрировать в цилиндре 2 практически без сдерживания штоком 5 этих вибраций.

Группа изобретений была раскрыта выше со ссылкой на конкретные варианты их осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретений, входящих в группу, не меняющие их сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретения входящие в группу, следует считать ограниченным по объему правовой охраны только нижеследующей формулой изобретения.

Группа изобретений относится к способам и устройствам для перекачивания текучих сред и может быть использована в промышленности, на транспорте, в быту при перекачивании жидкостей, а также иных несжимаемых и сжимаемых текучих сред, в том числе при эксплуатации скважин в нефтедобывающей промышленности. Насос содержит поршень, цилиндр, всасывающий клапан, нагнетательный клапан, шток, соединенный с поршнем. Поршень снабжен, по крайней мере, одним вибратором, выполненным с возможностью придания поршню продольных или поперечных или крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси поршня. Кроме того, раскрыт способ управления данным насосом. Технический результат, достигаемый при этом, состоит в снижении вероятности ремонта из-за заклинивания насоса в процессе перекачки жидкости и, как следствие, в повышении надежности его работы. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Насос, содержащий поршень, цилиндр, всасывающий клапан, нагнетательный клапан, шток, соединенный с поршнем, характеризующийся тем, что поршень снабжен, по крайней мере, одним вибратором, выполненным с возможностью придания поршню продольных или поперечных или крутильных вибраций относительно воображаемой продольной оси поршня.

2. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что поршень снабжен, по крайней мере, одним дополнительным вибратором для придания поршню поперечных вибраций, причем указанный вибратор размещен таким образом, что направление его вибраций отличается от направления вибраций основного вибратора в плоскости, перпендикулярной воображаемой продольной оси поршня.

3. Насос по п. 2, характеризующийся тем, что вибраторы для придания поперечных вибраций размещены на противоположных концах поршня.

4. Насос по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что вибраторы для придания поршню продольных или поперечных вибраций выполнены в виде пьезоэлектрических и/или магнитострикционных актуаторов, причем каждый актуатор одним концом соединен с поршнем, а на другом конце каждого актуатора закреплен груз.

5. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно снабжен упругим средством, допускающим продольные вибрации поршня относительно штока и размещенным между поршнем и штоком или в штоке.

6. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что участок штока выполнен с поперечным сечением, снижающим его изгибную жесткость.

7. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно снабжен средством в виде муфты, выполненной с возможностью отклонения выходного полувала на заданный угол от входного полувала, причем входной полувал муфты соединен со штоком, а выходной полувал муфты соединен с поршнем.

8. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что шток дополнительно снабжен средством в виде двух последовательно расположенных муфт, причем каждая муфта выполнена с возможностью отклонения выходного полувала на заданный угол от входного полувала.

9. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно снабжен упругой пластиной, край упругой пластины закреплен на штоке, противоположный край упругой пластины закреплен на поршне, плоскость упругой пластины параллельна воображаемой оси штока и поршня.

10. Насос по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно снабжен средством в виде муфты, выполненной с возможностью независимого вращения полувалов в пределах заданного угла вращения, причем один полувал муфты соединен со штоком, другой полувал муфты соединен с поршнем.

11. Способ перекачивания текучей среды поршневым насосом, в процессе которого осуществляют перемещения поршня из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение и обратно, характеризующийся тем, что при перемещении поршня включают, по меньшей мере, одно средство из следующей группы: средство для придания поршню продольных вибраций, средство для придания поршню крутильных вибраций относительно его воображаемой продольной оси, средство для придания поршню поперечных вибраций.

12. Способ по п. 11, характеризующийся тем, что создают волнообразные поперечные вибрации поршня за счет, по меньшей мере, двух средств для придания поршню поперечных вибраций, размещенных в противоположных концах поршня.

13. Способ по п. 12, характеризующийся тем, что средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в передней части поршня, создают поперечные вибрации передней части поршня; средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в задней части поршня, создают поперечные вибрации задней части поршня того же направления, но другой фазы и/или другой частоты.

14. Способ перекачивания текучей среды поршневым насосом, в процессе которого осуществляют перемещения поршня из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение и обратно, характеризующийся тем, что оценивают наличие заклинивания поршня, в случае обнаружения заклинивания, активируют, по меньшей мере, одно средство из следующей группы: средство для придания поршню продольных вибраций, средство для придания поршню крутильных вибраций относительно его продольной оси, средство для придания поршню поперечных вибраций.

15. Способ по п. 14, характеризующийся тем, что создают волнообразные поперечные вибрации поршня за счет, по меньшей мере, двух средств для придания поршню поперечных вибраций, размещенных в противоположных концах поршня.

16. Способ по п. 15, характеризующийся тем, что средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в передней части поршня, создают поперечные вибрации передней части поршня; средством для придания поршню поперечных вибраций, размещенным в задней части поршня, создают поперечные вибрации задней части поршня того же направления, но другой фазы и/или другой частоты.

17. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что вибрации сопровождают усилием, приложенным к штоку и направленным в сторону, в которую осуществлялось движение перед заклиниванием.

18. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что вибрации сопровождают усилием, приложенным к штоку и направленным в сторону, противоположную направлению, в котором осуществлялось движение перед заклиниванием.

19. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что вибрации сопровождают усилием, приложенным к штоку и направленным вперед.

20. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что вибрации сопровождают усилием, приложенным к штоку и направленным назад.

21. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что вибрации не сопровождают усилием, приложенным к штоку.

22. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что оценивают наличие заклинивания поршня по отсутствию срабатывания датчика прихода поршня в крайнее заднее положение или датчика прихода поршня в крайнее переднее положение.

23. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что оценивают наличие заклинивания поршня по внезапному изменению энергопотребления привода насоса.

24. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что оценивают наличие заклинивания поршня по внезапному увеличению силы, действующей от привода насоса к штоку насоса.

25. Способ по любому из пп. 14-16, характеризующийся тем, что оценивают наличие заклинивания поршня по внезапному прекращению движения текучей среды, перекачиваемой насосом.