АКСИАЛЬНО-ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК F04B1/20 

Область техники

Настоящее изобретение относится к многоцилиндровым поршневым насосам с вращающимся блоком цилиндров, в частности, используемых в устройствах обратного осмоса и предусматривающих рекуперацию энергии.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен, см. патент US7799221, опубликованный 21.09.2010, способ рекуперации энергии в аксиально-плунжерном насосе, включающем ротор с блоком цилиндров, выполненными с каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для жидкости, перекачиваемой плунжерами, перемещаемыми по гармоническому (косинусоидальному) закону, и каналами, соединенными с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии.

Используемый гармонический закон предполагает существенное изменение скорости плунжера и, соответственно, перепад давления выталкиваемой перекачиваемой жидкости. А использование только участка значений функции гармонического закона, соответствующего наиболее быстрому и равномерному перемещению плунжера, приводит к увеличению интервала времени перехода от всасывания перекачиваемой жидкости к ее выталкиванию, увеличению трения и увеличению затрат энергии.

Из уровня техники известен, см. патент РФ 145663, опубликованный 27.09.2014, аксиально-плунжерный насос с рекуперацией энергии, включающий ротор с плунжерами-втулками и блоком цилиндров, выполненным с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для перекачиваемой жидкости, и каналами, соединенными с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, выполненный с каналами для перекачиваемой жидкости и каналами для жидкости, используемой для рекуперации энергии. Плунжеры-втулки используются для адаптации насоса к объему поступающей в надплунжерную полость жидкости, используемой для рекуперации энергии.

В патентном документе не раскрыто функционирование аксиально-плунжерного насоса с рекуперацией энергии. А конструкция аксиально-плунжерного насоса не предусматривает уменьшение перепада давления выталкиваемой перекачиваемой жидкости.

Раскрытие изобретения

В заявленном изобретении достигаемый технический результат заключается в сокращении интервала времени перехода от заполнения цилиндров ротора аксиально-плунжерного насоса перекачиваемой жидкостью к выталкиванию перекачиваемой жидкости из цилиндров (перехода через мертвую точку) за счет увеличения давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости цилиндра. При этом также обеспечивается адаптация объема надплунжерной полости к объему жидкости, используемой для рекуперации энергии, зависящий, в частности, от солености воды, опресняемой в установке обратного осмоса, в состав которой входит аксиально плунжерный насос.

Указанные технические результаты достигаются в способе рекуперацией энергии в аксиально-плунжерном насосе, включающем ротор с блоком цилиндров выполненными каждый с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров, заполняемой жидкостью, выталкиваемой плунжерами, перемещаемыми в цилиндрах по гармоническому (косинусоидальному) закону, и с надплунжерной полостью цилиндров, заполняемой жидкостью для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, при этом используют дополнительные плунжеры, выполненные каждый в форме втулки, примыкающей наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, и в начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра перемещают плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, при этом плунжером-втулкой выталкивают из подплунжерной полости цилиндра часть (большую часть, пока плунжер-втулка обгоняет плунжер, перемещаемый по гармоническому закону) перекачиваемой жидкости, а затем, остальную часть перекачиваемой жидкости выталкивают из подплунжерной полости цилиндра плунжером, увеличившим свою скорость в цилиндре в соответствии с гармоническим законом.

В начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра можно перемещать плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, до упора плунжера-втулки в неподвижную втулку, вставленную в каждый цилиндр и соединяющую блок цилиндров с диском ротора, контактирующего со статором.

Можно контролировать превышение заданного значения давления жидкости, используемой для рекуперации энергии и поступающей в канал, соединенный с надплунжерной полостью цилиндра, и, используя клапан, сбрасывать избыточный объем жидкости, используемой для рекуперации энергии. В частности, сбрасывать избыточный объем жидкости, используемой для рекуперации энергии, можно из канала статора, используемого для подвода этой жидкости и периодически соединяемого с соответствующим каналом ротора и надплунжерной полостью цилиндра, в другой канал статора, используемый для отвода этой жидкости из канала ротора и надплунжерной полости цилиндра.

Указанные технические результаты достигаются в аксиально-плунжерном насосе с рекуперацией энергии, включающим ротор с плунжерами, перемещаемыми каждый по гармоническому (косинусоидальному) закону и блоком цилиндров, выполненным с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для перекачиваемой жидкости, и с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, выполненный с отверстиями (каналами) дугообразной формы вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора, при этом открытые в торце ротора каналы для перекачиваемой жидкости периодически, при вращении ротора, совпадают с отверстиями статора для забора и выталкивания перекачиваемой жидкости, расположенными вдоль окружности большего диаметра, а открытые в торце ротора каналы для жидкости, используемой для рекуперации энергии, при этом совпадают с отверстиями, соответственно, для выталкивания и забора жидкости, используемой для рекуперации энергии, расположенными вдоль окружности меньшего диаметра, при этом ротор включает дополнительные плунжеры, выполненные в форме втулки, установленные с возможностью скольжения относительно цилиндра и плунжера, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону под воздействием перекачиваемой жидкости и жидкости, используемой для рекуперации энергии, примыкающие наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону, а для опережающего выталкивания перекачиваемой жидкости из цилиндра плунжером, выполненным в форме втулки, начало частичного совпадения сквозного отверстия статора для выталкиваемой (из цилиндров) перекачиваемой жидкости и открытого в торце ротора канала, соединенного с подплунжерной полостью цилиндра, соответствует, по меньшей мере, частичному совпадению отверстия статора для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии, и открытого в торце ротора канала, соединенного с надплунжерной полостью этого цилиндра.

Взаимное расположение отверстий дугообразной формы статора для выталкиваемой из цилиндров перекачиваемой жидкости и подачи в цилиндры жидкости, используемой для рекуперации энергии, относительно соответствующих каналов ротора обеспечивает увеличения давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из цилиндра.

В статоре может быть установлен регулировочный клапан, соединяющий отверстие в статоре для подаваемой в ротор жидкости, используемой для рекуперации энергии, с отверстием в статоре для отводимой из ротора жидкости, используемой для рекуперации энергии.

На внутренней и наружной цилиндрических поверхностях плунжеров-втулок может быть нанесен микрорельеф в виде винтовых канавок для смазки и охлаждения перекачиваемой жидкостью цилиндрических поверхностей плунжеров и цилиндра.

Плунжеры, перемещаемые в цилиндрах по гармоническому (косинусоидальному) закону, могут быть снабжены упругим упором, ограничивающим перемещение плунжера-втулки в направлении надплунжерной полости - обратном направлению выталкивания перекачиваемой жидкости.

Ротор может включать контактирующий со статором диск, выполненный с отверстиями, являющимися частями каналов ротора, соединенными с подплунжерными и надплунжерными полостями цилиндров, и с установленными в отверстиях диска втулками с уплотняющими манжетами, вставленными в соответствующие отверстия блока цилиндров.

Втулки позволяют сохранять равномерный зазор между диском ротора и статором независимо от колебательных движений блока цилиндров ротора.

Торцевая поверхность блока цилиндров со стороны противоположной стороне расположения диска ротора может быть выполнена с тангенциальными канавками, обеспечивающими циркуляцию жидкости внутри насоса для охлаждения и смазки трущихся поверхностей.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан заявленный аксиально-плунжерный насос в разрезе.

На фиг. 2 показана плита статора с отверстиями дугообразной формы, вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора, для забора и выталкивания перекачиваемой жидкости, расположенными вдоль окружности большего диаметра, и для выталкивания и забора жидкости, используемой для рекуперации энергии, расположенными вдоль окружности меньшего диаметра. Пунктиром показаны открытые в торце ротора каналы для перекачиваемой жидкости. Открытый в торце ротора канал, соединенный с подплунжерной полостью цилиндра только начинает частично совпадать со сквозным отверстием статора для выталкиваемой из цилиндра перекачиваемой жидкости, а открытый в торце ротора канал, соединенный с надплунжерной полостью этого цилиндра уже частично совпадает с отверстием статора для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии.

Реализация изобретения

Представленный на фиг. 1 аксиально-плунжерный насос включает корпус (статор) 1 и приводимый во вращение валом 2 ротор с блоком цилиндров 3, установленным в корпусе 1 посредством подшипникового узла 4, и диском 5, соединенным с блоком цилиндров 3 втулками 6 с манжетами 7 и прижимаемым к плите 8 статора 1 пружиной 9, демпфирующей колебания блока цилиндров 3. Перечисленные элементы насоса, в том числе, втулки 6, но кроме манжет 7 и подшипникового узла 4, изготовлены, предпочтительно, из коррозионно-стойкой стали. Манжеты 7 и подшипниковый узел 4 изготовлены из антифрикционного и антипригарного полимерного материала, например, из тефлона.

Плунжеры 10 установлены каждый в сферическом сочленении 11 на опорном подпятнике 12, скользящим по поверхности наклонной шайбы 13 и обеспечивающим тем самым перемещение каждого плунжера 10 в цилиндре в соответствии с косинусоидальным (гармоническим) законом.

Плунжеры 14 выполнены каждый в форме втулки и установлены с возможностью скольжения относительно цилиндра и плунжера 10, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону. Плунжеры-втулки 14 примыкают наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера 10. На внутреннею и наружную поверхности плунжера-втулки 14 нанесен микрорельеф в виде винтовых канавок для смазки и охлаждение перекачиваемой жидкостью поверхностей цилиндра и плунжеров 10 и 14. Плунжеры втулки 14 изготовлены из антифрикционного полимерного материала.

Перекачиваемая жидкость подводится в подплунжерные полости 15 цилиндров через канал (d), проходящий через отверстие в плите 8, отверстие в диске 5 ротора и втулку 6. При этом из надплунжерной полости 16 отводится жидкость, используемая для рекуперации энергии, через канал (с), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8.

Выталкивание перекачиваемой жидкости под повышенным давлением из подплунжерной полости 15 цилиндров осуществляется через канал (a), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8. При этом через канал (b), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8 в надплунжерную полость 16 подводится жидкость, используемая для рекуперации энергии.

Перекачиваемая жидкость, например, морская вода, подается аксиально-плунжерным насосом под высоким давлением в обратноосмотическую мембрану. Концентрат, отводимый из обратноосмотической мембраны, является жидкостью, используемая для рекуперации энергии в аксиально-плунжерном насосе.

В заявленном техническом решении используются два плунжера в каждом цилиндре ротора. Дополнительный второй плунжер, перемещаемый жидкостью, используемой для рекуперации энергии, увеличивает давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости, когда скорость первого плунжера, перемещаемого в соответствии с косинусоидальным законом, близка к нулю. Тем самым, использование двух плунжеров позволяет раньше начинать выталкивание перекачиваемой жидкости из подплужерной полости и предполагает для этого более раннее поступление в надплунжерную полость жидкости, используемой для рекуперации энергии. Поэтому, по сравнению с техническим решением, раскрытым в US7799221, в заявленном техническом решении изменено взаимное расположение в торце ротора отверстий каналов, соединенных с подплунжерной и надплунжерной полостями цилиндра.

На фиг. 2 показана плита 8 статора 1 с отверстиями 17, 18, 19 и 20 дугообразной формы, вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора. Отверстия 17 и 18 предназначены, соответственно, для выталкивания и забора перекачиваемой жидкости и расположены вдоль окружности большего диаметра. Отверстия 19 и 20 предназначены, соответственно, для забора и выталкивания жидкости, используемой для рекуперации энергии, и расположены вдоль окружности меньшего диаметра. Предполагается, что ротор (блок цилиндров 3 с диском 5) вращается относительно плиты 8 по часовой стрелке. Пунктиром показаны отверстия открытых в торце ротора каналов 21, 22, 23, 24 и 25 для перекачиваемой жидкости и отверстия, открытых в торце ротора каналов 26, 27, 28, 29 и 30 для жидкости, используемой для рекуперации энергии. Открытый в торце ротора канал 21, соединенный с подплунжерной полостью цилиндра только начинает частично совпадать с отверстием 17 статора для выталкиваемой из цилиндра перекачиваемой жидкости, а открытый в торце ротора канал 26, соединенный с надплунжерной полостью этого цилиндра, уже частично совпадает с отверстием статора 19 для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии. Плунжер-втулка 14 начнет выталкивание перекачиваемой жидкости под действием давления жидкости, используемой для рекуперации энергии, сразу с началом частичного совпадения открытого в торце ротора канала 21 с отверстием 17 статора, в то время, как скорость первого плунжера 10 в соответствии с косинусоидальным законом имеет значение близкое к нулю.

Возможным вариантом реализации изобретения является следующие действия:

1) с начала выталкивают перекачиваемую жидкость из каждого цилиндра плунжером-втулкой 14 до упора плунжера-втулки в неподвижную втулку 6, вставленную в каждый цилиндр и соединяющую блок цилиндров 3 с диском 5 ротора, контактирующего с плитой 8 статора 1, а затем

2) выталкивают перекачиваемую жидкость из каждого цилиндра плунжером 10, увеличившим скорость в соответствии с косиносуидальным законом, и при воздействии на него жидкости, используемой для рекуперации энергии.

Увеличение давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости 15 цилиндра позволяет приблизить отверстие 17 в плите 8 статора к так называемой «мертвой точке» 31 и сократить интервал времени перехода от заполнения цилиндров ротора аксиально-плунжерного насоса перекачиваемой жидкостью до начала выталкивания перекачиваемой жидкости из цилиндров. Соответственно, сокращается время торможения ротора, испытываемого им на указанном временном интервале.

Для предотвращения избыточного давления в надплунжерной полости 16 в плите 8 статора установлен регулировочный клапан 32, через который отверстие в плите 8 (канал b) для подаваемой в ротор жидкости, используемой для рекуперации энергии, соединяется с отверстием (канал c) в плите 8 для отводимой из ротора жидкости, используемой для рекуперации энергии. А для ограничения перемещения плунжера-втулки 14 в направлении надплунжерной полости, плунжеры 10 снабжены упором 33, выполненного упругим для демпфирования удара плунжера-втулки 14 об ограничитель при его обратном ходе.

Вращение блоку цилиндров сообщается через вал 2. Подшипниковый узел скольжения 2 воспринимает неуравновешенную нагрузку от блока цилиндров, возникающую из-за движения плунжеров 10, в радиальном и осевом направлении без нарушения равномерного зазора между плоскими поверхностями диска 5 ротора и плиты 8 статора 1.

Блок цилиндров 3 и диск 5 ротора сопрягаются между собой без потери герметичности с использованием соединительных втулок 6 с уплотняющими манжетами 7 при этом втулки 6 выполнены за одно целое с диском 5 ротора, а уплотняющие манжеты 7 выполнены из материала с низким коэффициентом трения. Тем самым обеспечивается сохранение равномерного зазора между диском 5 ротора и блоком цилиндров 3, независимо от колебательных движений блока цилиндров.

Неизменность равномерного зазора между плоскими поверхностями диска 5 ротора и плиты 8 обеспечивается тем, что пружина 9 прижимает диск 5 ротора к плите 8.

Корпус (статор) 1 насоса заполняется перекачиваемой жидкостью через подводящий канал (е), соединяющий полость корпуса насоса и канал (d).

На поверхность торца блока цилиндров 3 нанесены тангенциальные пазы 32, обеспечивающие циркуляцию жидкости внутри корпуса 1 при вращении ротора, создавая направленную циркуляцию жидкости в корпусе 1, осуществляя тем самым смазку и охлаждение подшипникового узла 4.

Группа изобретений относится к многоцилиндровым поршневым насосам с вращающимся блоком цилиндров, в частности, используемых в устройствах обратного осмоса и предусматривающих рекуперацию энергии. В аксиально-плунжерном насосе с рекуперацией энергии используются два плунжера 10 и 14 в каждом цилиндре 3 ротора. Дополнительный второй плунжер 14, перемещаемый жидкостью, используемой для рекуперации энергии, увеличивает давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости, когда скорость первого плунжера 10, перемещаемого в соответствии с косинусоидальным законом, близка к нулю. Группа изобретений направлена на сокращение интервала времени перехода от заполнения цилиндров ротора аксиально-плунжерного насоса перекачиваемой жидкостью к выталкиванию перекачиваемой жидкости из цилиндров за счет увеличения давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости цилиндра. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ рекуперации энергии в аксиально-плунжерном насосе, включающем ротор с блоком цилиндров, выполненных каждый с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для жидкости, перекачиваемой плунжерами, перемещаемыми в цилиндрах по гармоническому закону, и с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, отличающийся тем, что используют дополнительные плунжеры, выполненные каждый в форме втулки, примыкающей наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, в начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра перемещают плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, при этом плунжером-втулкой выталкивают из подплунжерной полости цилиндра часть перекачиваемой жидкости, а затем, остальную часть перекачиваемой жидкости выталкивают из подплунжерной полости цилиндра плунжером, увеличившим свою скорость в цилиндре в соответствии с гармоническим законом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра перемещают плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, до упора плунжера-втулки в неподвижную втулку, вставленную в каждый цилиндр и соединяющую блок цилиндров с диском ротора, контактирующего со статором.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что контролируют превышение давления жидкости, используемой для рекуперации энергии, заданного значения, и, при необходимости, сбрасывают избыточный объем жидкости, используемой для рекуперации энергии и поступающей в канал, соединенный с надплунжерной полостью цилиндров.

4. Аксиально-плунжерный насос с рекуперацией энергии, включающий ротор с плунжерами, перемещаемыми каждый по гармоническому закону, и блоком цилиндров, выполненным с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для перекачиваемой жидкости, и с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, выполненный с отверстиями для забора и выталкивания перекачиваемой жидкости дугообразной формы, вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности, контактирующей с торцом ротора, при этом открытые в торце ротора каналы для перекачиваемой жидкости при вращении ротора периодически совпадают с отверстиями статора, расположенными вдоль окружности большего диаметра, а открытые в торце ротора каналы для жидкости, используемой для рекуперации энергии, при этом совпадают с отверстиями, расположенными вдоль окружности меньшего диаметра, отличающийся тем, что ротор включает дополнительные плунжеры в каждом цилиндре, выполненные в форме втулки, примыкающей наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, а для опережающего выталкивания перекачиваемой жидкости из цилиндра плунжером, выполненным в форме втулки, начало частичного совпадения сквозного отверстия статора для выталкиваемой перекачиваемой жидкости и открытого в торце ротора канала, соединенного с подплунжерной полостью цилиндра, соответствует, по меньшей мере, частичному совпадению отверстия статора для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии, и открытого в торце ротора канала, соединенного с надплунжерной полостью этого цилиндра.

5. Насос по п.4, отличающийся тем, что в статоре установлен регулировочный клапан, соединяющий отверстие в статоре для подаваемой в ротор жидкости, используемой для рекуперации энергии, с отверстием в статоре для отводимой из ротора жидкости, используемой для рекуперации энергии.

6. Насос по п.4, отличающийся тем, что на внутренней и наружной цилиндрических поверхностях плунжеров-втулок нанесен микрорельеф в виде винтовых канавок для смазки и охлаждения перекачиваемой жидкостью цилиндрических поверхностей плунжеров и цилиндра.

7. Насос по п.4, отличающийся тем, что плунжеры, перемещаемые в цилиндрах по гармоническому закону, снабжены упругим упором, ограничивающим перемещение плунжера-втулки в направлении надплунжерной полости - обратном направлению выталкивания перекачиваемой жидкости.

8. Насос по п.4, отличающийся тем, что ротор включает контактирующий со статором диск, выполненный с отверстиями, являющимися частями каналов ротора, соединенными с подплунжерными и надплунжерными полостями цилиндров, и с установленными в отверстиях диска втулками с уплотняющими манжетами, вставленными в соответствующие отверстия блока цилиндров.

9. Насос по п.8, отличающийся тем, что торцевая поверхность блока цилиндров со стороны, противоположной стороне расположения диска ротора, выполнена с тангенциальными канавками, обеспечивающими циркуляцию жидкости внутри насоса для охлаждения и смазки трущихся поверхностей.