Способ увеличения равномерности подачи поршневого насоса Российский патент 2024 года по МПК F04B11/00 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к способам сглаживания пульсаций подачи поршневых насосов, включающих несколько поршней с общей приводной частью и коленчатым валом, и может найти применение в нефтегазовой и горной промышленности.

Процесс работы поршневого насоса характеризуется наличием пульсаций подачи перекачиваемой жидкости, что связано с периодическим изменением объёма занимаемой ею рабочей камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса, а также особенностями кинематики приводной части насоса.

Известен способ уменьшения неравномерности подачи поршневого насоса за счёт использования в нём нескольких поршней с общей приводной частью (Башта Т.М., Руднев С. С., Некрасов Б. Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы, М., «Машиностроение», 1982, с. 284 - 288). Эффективность способа зависит от количества поршней в насосе, причём снижение пульсации подачи происходит более эффективно при нечётном их количестве.

Недостатком способа является необходимость увеличения количества поршней для снижения пульсации подачи рабочей жидкости, что вызывает сложность обеспечения приемлемого снижения неравномерности подачи рабочей жидкости при практической реализации способа исходя из конструктивных соображений.

Наиболее близким к заявляемому является способ компенсации пульсаций подачи объёмного насоса, заключающийся в корректировании подачи насоса путём формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счёт использования энергии внешнего источника, при котором жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, а величину корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени задают принудительно (RU 2115827, опубл. 20.07.1998).

Однако, известный способ осложнен тем, что требует использования специальной гидромашины с синхронизирующей связью между приводным валом гидромашины и приводным валом насоса, что не обеспечивает достаточную эффективность компенсации пульсаций (сглаживания неравномерности) подачи поршневого насоса, увеличивая циклические нагрузки, вибрацию, шум, снижая надежность работы оборудования.

Технический результат заключается в снижении циклических нагрузок, вибраций, шума, а также повышении надёжности работы оборудования за счёт уменьшения пульсаций давления в рабочих камерах насоса, присоединённых к насосу трубопроводах, трубопроводной арматуре и элементах гидравлической системы путем поддержания постоянства равенства величин мгновенной подачи насоса Q и его средней подачи Q_ср в процессе работы.

Технический результат достигается тем, что способ увеличения равномерности подачи поршневого насоса включает корректировку мгновенной подачи насоса в зависимости от мгновенных значений угла ϕ поворота коленчатого вала и угловой скорости ω его вращения. Согласно изобретению предварительно вычисляют величину средней подачи многоцилиндрового поршневого насоса Q_ср. в зависимости от числа цилиндров, площади, хода и частоты ходов поршя, площади штока, коэффициента подачи α, рассчитывают величину мгновенной подачи насоса

$$Q=\text{α}{\displaystyle \sum _{i=1}^n{Q}_i},$$

где Q_i - мгновенная подача отдельной насосной камеры,

n - количество насосных камер,

и постоянно поддерживают равенство Q = Q_ср., для чего с помощью регулируемого привода корректируют величину мгновенной угловой скорости ω вращения коленчатого вала во время одного поворота на угол ϕ по заданной зависимости.

Заявляемый способ позволяет снизить циклические нагрузки, вибрацию, шум, а также повышать надёжности работы оборудования за счёт снижения пульсаций давления в рабочих камерах насоса, присоединенных к насосу трубопроводах, трубопроводной арматуре и элементах гидравлической системы.

Кроме того, появляется возможность снижения неравномерности подачи поршневого насоса без отбора жидкости из всасывающего канала насоса и направления в напорный канал с использованием гидромашины с синхронизирующей связью между приводным валом гидромашины и приводным валом насоса. Это позволяет упростить реализацию заявляемого способа и сделать его более надёжным, поскольку уменьшается число элементов, т.к. гидромашина исключается из оборудования.

Величину мгновенной подачи отдельной i-ой насосной камеры Q_i рассчитывают следующим образом:

$$Q_i=v_i{F}_i,$$

где v_i - мгновенная скорость поршня; F_i - площадь поршня в i-камере.

$$v_i=r\text{ω}\frac{\sin (\text{φ}+\text{β})}{\cos \text{β}},$$

где r - радиус кривошипа;

ω - мгновенная угловая скорость вращения коленчатого вала насоса;

ϕ - угол поворота коленчатого вала насоса;

β - угол подъёма шатуна.

Здесь

$$\text{λ}=r/l;\text{}\text{}sin\text{β}=\text{λ}\sin \text{φ},$$

где l - длина шатуна.

Соответственно

$$Q_i=r\text{ω}\frac{\sin \left(\text{φ}+\arcsin \left(\frac{r}{l}\sin \text{φ}\right)\right)}{\cos \left(\arcsin \left(\frac{r}{l}\sin \text{φ}\right)\right)}{F}_i$$

(Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. Учебник для вузов, М., «Недра», 1981, с. 108 - 113).

Таким образом, мгновенная подача отдельной i-ой насосной камеры Q_i зависит от величины мгновенной угловой скорости ω и положения коленчатого вала, характеризуемого углом ϕ. Из последней формулы видно, при величине мгновенной угловой скорости ω =0 мгновенная подача $$Q_i$$ =0, что характеризует случай, когда коленчатый вал не вращается. Изменение угловой скорости ω ведёт к изменению мгновенной подачи $$Q_i$$, делая её отличной от нуля.

Применение регулируемого привода может менять величину мгновенной угловой скорости вращения коленчатого вала ω во время одного поворота коленчатого вала, что позволяет изменять мгновенную подачу отдельной i-ой насосной камерой во время одного поворота коленчатого вала и насоса в целом.

Для многоцилиндрового насоса мгновенная подача определяется суммой подач отдельных насосных камер, т.е.

$$Q=\text{α}{\displaystyle \sum _{i=1}^n{Q}_i},$$

где α - коэффициент подачи.

Способ проиллюстрирован фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 и фиг.2 показана схема реализации заявляемого способа на примере трехпоршневого насоса, где фиг.1 - схема насоса, вид сбоку, фиг.2 - схема насоса, вид сверху.

На фиг.3 представлен график зависимости Q от ϕ.

Кривые, относящиеся к мгновенным подачам отдельными насосными камерами Q_i, показаны тонким пунктирными линиями, а мгновенная подача насоса Q показана кривой А, которая получена путём сложения мгновенных подач отдельных насосных камер Q_i. Процесс работы насоса характеризуется максимальной подачей Q_max, минимальной подачей Q_min, а также средней подачей Q_ср., которая на графике представлена прямой линией Б. Присутствие в процессе работы насоса максимальной подачи Q_max и минимальной подачи Q_min вызывает неравномерность подачи насоса.

Трехпоршневой насос включает три насосных камеры 9, каждая из которых содержит поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре 2, всасывающий клапан 3 и нагнетательный клапан 4, шатун 5, также коленчатый вал 6, при этом кривошипы коленчатого вала 6 смещены относительно друг друга на угол 120°. Поток жидкости создается при вращении коленчатого вала 6 за счёт попеременного соединения цилиндра 2 с всасывающей 7 и нагнетательной 8 линиями магистральных трубопроводов посредством всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4.

Величина мгновенной подачи отдельной i-й насосной камерой Q_i рассчитана следующим образом:

$$Q_i=v_i{F}_i,$$

где v_i - мгновенная скорость поршня; F_i - площадь поршня в i-камере.

$$v_i=r\text{ω}\frac{\sin (\text{φ}+\text{β})}{\cos \text{β}},$$

где r - радиус кривошипа;

ω - мгновенная угловая скорость вращения коленчатого вала насоса;

ϕ - угол поворота коленчатого вала насоса;

β - угол подъёма шатуна.

Здесь

$$\text{λ}=r/l;\text{}\text{}sin\text{β}=\text{λ}\sin \text{φ},$$

где l - длина шатуна.

Соответственно

$$Q_i=r\text{ω}\frac{\sin \left(\text{φ}+\arcsin \left(\frac{r}{l}\sin \text{φ}\right)\right)}{\cos \left(\arcsin \left(\frac{r}{l}\sin \text{φ}\right)\right)}{F}_i.$$

(Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. Учебник для вузов, М., «Недра», 1981, с. 108 - 113).

Таким образом, мгновенная подача отдельной i-й насосной камеры Q_i зависит от величины мгновенной угловой скорости ω и положения коленчатого вала, характеризуемого углом ϕ. Из последней формулы видно, при величине мгновенной угловой скорости ω = 0 мгновенная подача $$Q_i$$ = 0, что характеризует случай, когда коленчатый вал не вращается.

Изменение угловой скорости ω ведет к изменению мгновенной подачи $$Q_i$$, делая её отличной от нуля. Применение регулируемого привода меняет величину мгновенной угловой скорости вращения коленчатого вала ω во время одного его поворота, что позволяет изменять мгновенную подачу отдельной i-й насосной камерой во время одного поворота коленчатого вала и насоса в целом.

Для многоцилиндрового насоса мгновенная подача определяется суммой подач отдельных n насосных камер, т.е.

$$Q=\text{α}{\displaystyle \sum _{i=1}^n{Q}_i},$$

где α - коэффициент подачи.

При работе трехпоршневого насоса коленчатый вал 6 совершает вращательное движение с постоянной мгновенной угловой скоростью ω=const.

На основании приведенных выше формул построены графики зависимости Q от ϕ.

Средняя подача насоса определяется по формуле:

$$Q_{\text{ср}}=\alpha azFSn,$$

где $$a$$- коэффициент , для насосов двухстороннего действия $$a=1-f/F$$,

где f - площадь штока;

F - площадь поршня (для насосов одностороннего действия и дифференциального $$a=1$$);

z - число цилиндров;

S - ход поршня;

n - частота ходов поршней.

Изменяя величину мгновенной угловой скорости коленчатого вала ω в процессе поворота на угол ϕ путём использования регулируемого привода, можно изменять мгновенную подачу отдельной насосной камерой Q_i, и мгновенную подачу насоса Q во время одного поворота коленчатого вала 6.

Поддержание в процессе каждого поворота коленчатого вала 6 насоса мгновенной угловой скорости вращения ω исходя из условия обеспечения постоянной мгновенной подачи насоса Q, равной его средней подачи Q_ср, т.е. Q =Q_ср, позволяет снизить неравномерность подачи насоса.

Изобретение относится к насосостроению, в частности к способу увеличения равномерности подачи поршневого насоса, и может найти применение в нефтегазовой и горной промышленностях. Способ увеличения равномерности подачи поршневого насоса включает корректировку мгновенной подачи насоса в зависимости от мгновенных значений угла ϕ поворота коленчатого вала и угловой скорости ω его вращения. Согласно изобретению предварительно вычисляют величину средней подачи многоцилиндрового поршневого насоса Q_ср, рассчитывают величину мгновенной подачи насоса и постоянно поддерживают равенство Q = Q_ср, для чего с помощью регулируемого привода корректируют величину мгновенной угловой скорости ω вращения коленчатого вала во время одного поворота на угол ϕ. Изобретение направлено на снижение циклических нагрузок, вибрации, шума, а также на повышение надёжности работы оборудования за счёт снижения пульсаций давления в рабочих камерах насоса, присоединенных к насосу трубопроводах, трубопроводной арматуре и элементах гидравлической системы. 3 ил.

Способ увеличения равномерности подачи поршневого насоса, включающий корректировку мгновенной подачи насоса в зависимости от мгновенных значений угла ϕ поворота коленчатого вала насоса и его угловой скорости ω вращения,

отличающийся тем, что

предварительно вычисляют величину средней подачи многоцилиндрового поршневого насоса Q_ср по формуле :

где α - коэффициент подачи,

- коэффициент, причем для насосов двухстороннего действия ,

для насосов одностороннего действия и дифференциального ;

f - площадь штока,

F - площадь поршня,

z - число цилиндров;

S - ход поршня;

n - частота ходов поршней,

и рассчитывают величину мгновенной подачи насоса по формуле:

где n - количество насосных камер,

Q_i - мгновенная подача отдельной насосной камеры, которая рассчитывается по формуле:

,

где r - радиус кривошипа,

ω - мгновенная угловая скорость вращения коленчатого вала насоса,

ϕ - угол поворота коленчатого вала насоса,

F_i - площадь поршня в i-камере,

l - длина шатуна,

и постоянно поддерживают равенство Q = Q_ср, для чего с помощью регулируемого привода корректируют величину мгновенной угловой скорости ω вращения коленчатого вала во время одного поворота на угол ϕ.