Герметичный поршневой насос Советский патент 1992 года по МПК F04B21/02 

Изобретение относится к насосостро- ению, а точнее к герметичным насосам, предназначенным для перекачивания агрессивных, токсичных и других жидкостей в технологических гидросистемах.

Известен герметичный поршневой насос, в цилиндре которого размещены шток с поршнем, герметизирующая мембрана, установленная между цилиндром и штоком, нагнетательный и всасывающий клапаны, установленные таким образом, что штоко- вая полость насоса является всасывающей камерой, в которой выполнен нагнетательный патрубок и которая сообщается с рабочей камерой насоса через нагнетательный клапан.

Мембрана, герметизирующая штоко- вую полость такого насоса, нагружена давлением нагнетания, что растягивает ее и препятствует ее смятию и образованию по ней продольных и поперечных складок. Наличие этих складок приводит к разрушению герметизирующей мембраны из-за перетирания ее материала. Таким образом, это решение повышает надежность насоса за счет повышения долговечности герметизирующей мембраны.

Однако рабочее давление такого насоса ограничивается прочностью герметизирующей мембраны.

Известен герметичный поршневой насос, в цилиндре которого размещены шток, поршень с установленным в нем самодействующим всасывающим клапаном и герметизирующая мембрана, установленная между цилиндром и штоком таким образом, что между ней и поршнем образована штоковая полость. На штоке выполнен дополнительный поршень, делящий штоковую полость на всасывающую камеру, сообщающуюся с всасывающей линией, и мембранную камеру, сообщающуюся с всасывающей камерой посредством каналов в дополнительном поршне.

Герметизирующая мембрана такого насоса не имеет контакта с жидкостью, находящейся под давлением нагнетания. В связи с этим давление в гидросистеме не зависит от прочности герметизирующей мембраны. При работе насоса происходит периодическое изменение объема мембранной камеры, что приводит к появлению в каналах дополнительного поршня переменного по направлению течения жидкости. В результате этого давление в мембранной камере по сравнению с давлением во всасывающей камере увеличивается при всасывании и уменьшается при нагнетании. При определенном соотношении площадей поршня, дополнительного

поршня и герметизирующей мембраны это позволяет обеспечить коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране. В результате такой коррекции обеспечивается постоянство направления этого перепада в течение рабочего цикла и, что особенно важно, устанавливается такое значение этого перепада, при котором условия работы герметизирующей мембраны наиболее бла0 гоприятны.

Недостатком известного насоса является относительно узкий диапазон изменения соотношения площадей поршня, вспомогательного поршня и герметизирующей мем5 браны. На практике герметизирующие мембраны обычно являются унифицированными элементами, поэтому число их типоразмеров невелико. При этом для повышения надежности работы насоса не0 обходимо увеличить перепад давления на герметизирующей мембране во время нагнетания, тогда как во время всасывания коррекцию его значения проводить не следует. Возможны случай, в которых во время

5 всасывания необходима коррекция этого перепада давления, а во время нагнетания она не нужна.

Цель изобретения - повышение надежности путем обеспечения постоянства на0 правления давления, действующего на мембрану.

Указанная цель достигается тем, что поршень установлен с возможностью осевого перемещения относительно што5 ка, последний снабжен каналом для периодического, в одном из тактов движения поршня, дополнительного сообщения мембранной и всасывающей камер между собой, при этом вход в канал штока и поршень

0 в зоне контакта с последним снабжены уп- лотнительными поясками для периодического перекрытия канала штока; при другом такте движения поршня.

Выполнение поршня подвижным отно5 сительно штока обеспечивает возможность изменения взаимного расположения поршня и штока при переходе от нагнетания к всасыванию и обратно.

Наличие канала в штоке обеспечивает

0 возможность изменения общего сопротивления каналов, соединяющих мембранную и всасывающую камеры.

Наличие уплотнительного пояска, расположенного вокруг входа в канал штока со

5 стороны всасывающей камеры, обеспечивает возможность перекрытия канала в штоке. Наличие уплотнительного пояска на поршне со стороны всасывающей камеры позволяет использовать поршень для перекрытия канала в штоке.

Наличие на штоке ограничителя перемещения поршня обеспечивает фиксацию взаимного расположения поршня и штока, при котором канал в штоке открыт.

Повышение надежности работы насоса достигается за счет того, что при нагнетании и при всасывании поршень смещен относительно штока в крайние положения, опреде- ляемые взаимным расположением уплотнительных поясков на поршне и вокруг входа в канал в штоке, а также установкой на штоке ограничителя перемещения поршня относительно него. Если уплотни- тельный поясок на поршне обращен в сторону мембранной камеры, уплотнительный поясок на штоке - в сторону рабочей камеры, то во время всасывания канал в штоке оказывается разгерметизированным, а во время нагнетания уплотнительные пояски герметично перекрывают вход в выполненный в штоке канал. При всасывании жидкость имеет возможность перетекать по каналу в штоке из всасывающей камеры в мембранную камеру и обратно, что исключает коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране. При нагнетании коммутация камеры подвода жидкости с мембранной камерой осуществляется только посредством каналов в дополнительном поршне, что обеспечивает в этом такте коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране. Если уплотнительный поясок на поршне обращен в сторону рабочей камеры, а уплотнительный поясок на штоке - в сторону мембранной камеры, то во время всасывания канал в штоке перекрыт, а во время нагнетания - разгерметизирован, В результате этого коррекция перепада давления осуществляется только при всасывании. Таким образом, в предлагаемом насосе коррекция перепада давления на герметизирующей мембране осуществляется только во время одного из тактов: либо во время всасывания, либо во время нагнетания. Такое решение расширяет диапазон изменения размеров герметизирующей мембраны, в котором перепад давления на ней постоянен по направлению в течение всего рабочего цикла. Кроме того, в случаях, когда во время одного из тактов условия работы герметизирующей мембраны оптимальны с точки зрения ее долговечности, исключение коррекции перепада давления на ней во время этого такта повышает надежность работы насоса.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема насоса, обеспечивающего коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране во время нагнетания; на фиг. 2 - то же, во время всасывания.

Насос имеет цилиндр 1, в котором размещены шток 2, подвижный относительно штока 2 поршень 3 с установленным в нем самодействующим всасывающим клапаном

4 и герметизирующая мембрана 5. Между поршнем 3 и герметизирующей мембраной 5 имеется штоковая полость, разделенная вспомогательным поршнем б на штоке 2 на всасывающую камеру 7, к которой подключена всасывающая линия 8, и мембранную камеру 9. Всасывающая камера 7 и мембранная камера 9 сообщаются посредством каналов 10 во вспомогательном поршне 6. На поршне 3 со стороны всасывающей ка-.

меры 7 выполнен уплотнительный поясок 11, обращенный в сторону мембранной камеры 9. На штоке имеется ограничитель 12 перемещения поршня 3 относительно штока 2 в сторону рабочей камеры 13. В штоке

2 выполнен канал 14, соединяющий мембранную камеру 9 и всасывающую камеру 7. На штоке 2 вокруг входа, в канал 14 имеется уплотнительный поясок ,15, обращенный в сторону рабочей камеры 13, образующий

герметичный стык с уплотнительным пояском 11 на поршне 3 и являющийся ограничителем перемещения поршня 3 относительно штока 2 в сторону мембранной камеры 9.

Насос работает следующим образом.

Шток 2 совместно с поршнем 3 совершает в цилиндре 1 возвратно-поступательное движение, благодаря чему происходит изменение объема рабочей камеры 13 насоса и перекачивание жидкости. При этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 9, вызывающее переменное по направлению течение жидкости между ней и всасывающей камерой 7.

При всасывании поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к рабочей камере 13 положение. Стык между уплотнительными поясками 11 и 15 разгерметизирован, и жидкость вследствие

изменения объема мембранной камеры 9 перетекает по каналам 10 и 14. Канал 14 имеет малое гидравлическое сопротивление, поэтому давление Рм в мембранной камере практически равно давлению во всасывающей камере 7 и определяется потерями давления на всасывающей линии 8. Расход жидкости QB во всасывающей линии 8 во время всасывания

QB V8 -Fi, .(1)

где VB - скорость движения штока 2 во время всасывания;

FI - эффективная площадь герметизирующей мембраны 5 с учетом площади ее жесткого центра.

Давление в мембранной камере во время всасывания

PM Po-/ GBVB2Fi2,(2)

где Ро - давление окружающей среды и давление на входе во всасывающую линию 8;

р- плотность жидкости;

GB - гидравлическое сопротивление всасывающей линии 8.

Во время нагнетания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 9 положение. Уплотнительные пояски 11 и 15 прижаты друг к другу, в результате чего канал 14 перекрыт. Расход жидкости Gfc в каналах 10 во время нагнетания определяется ско- ростью изменения объема мембранной камеры

QK VH(F2-Fi),(3)

где VH - скорость движения штока 2 во время нагнетания;

F2- площадь дополнительного поршня 6. Расход жидкости во всасывающей линии во время нагнетания

QB (Рз - F2)VH + QK VH(F3 - Fi),(4)

где Рз - площадь поршня 3.

Давление в мембранной камере 9 во время нагнетания равно сумме потерь давления на всасывающей линии 8 и на каналах 10 PM Po-/9VH2 GB(F3-Fi) IF3-F1 I +GK(F2-Fi) lF2-Fil ,(5)

где GK - гидравлическое сопротивление каналов 10.

Из зависимостей (2) и (5) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембра- не 5 насоса, представленного на фиг. 1; SignCGeFi3) (F3- Fi) IF3- Fi I + Ск(Р2 - Fi) IF2-Fil.(6)

Соотношения параметров Fi, F2l Fs, GK, GB, при которых зависимость (6) справедли- ва, представлены в таблице.

Насос по фиг. 2 отличается от насоса по фиг. 1 тем, что уплотнительный поясок 1 на поршне 3 обращен в сторону рабочей камеры 13, а уплотнительный поясок 15 вокруг входа в канала 14 обращен в сторону мембранной камеры 9. Ограничитель 12 на штоке 2 ограничивает перемещение поршня 3 относительно него в сторону мембранной камеры 9 (обозначения на фиг. 1 соответст- вуют обозначениям на фиг, 2).

Насос по фиг. 2 работает следующим образом.

При всасывании поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направле- нию к рабочей камере 13 положение, Уплотнительные пояски 11 и 15 прижаты друг к другу, поэтому канал. 14 перекрыт. Расход жидкости GU в каналах 10 во время

всасывания определяется скоростью изменения объема мембранной камеры 9

QK - VB(F2 - Fi).(7)

Расход жидкости во всасывающей линии 8 во время всасывания

Q3 F3VB-(F3-F2)VB-QK VBFi. (8) Давление Рм в мембранной камере 9 во время всасывания равно сумме потерь давления на всасывающей линии 8 и на каналах 10 Рм Ро -р VB2 GBFi2 - GK(F2 - Fi) I F2 - Fi I . (9)

Во время нагнетания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 9 положение. Стык между уплотнительными поясками 11 и 15 разгерметизирован и жидкость из-за изменения объема мембранной камеры 9 протекает по каналам 10 и 14. Из-за малости гидравлического сопротивления канала 14 давление Рм в мембранной камере 9 практически равно давлению во всасывающей камере 7 и определяется потерями давления на всасывающей линии 8. Расход жидкости во всасывающей линии 8 во время нагнетания

Си, - VH(F3- Fi),(10)

тогда давление в мембранной камере во время нагнетания

Рм Ро - GB VH2(F3 - Fi) I F3 - Fi I. (11)

Из зависимостей (9) и (11) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране 5 насоса, представленного на фиг. 2:

Sign GBFi2 - GK(F2 - Fi) IF2 - Fi I (F3 - -Fi)IF3-Fi I.(12)

Соотношения параметров Fi, F2, Fs, GB, GK, при которых зависимость (12) справедлива, представлены в таблице.

Таким образом, предлагаемый насос при определенных соотношениях параметров Fi, F2, FS, GB, GK обеспечивает постоянство направления перепада .давления на герметизирующей мембране. В результате этого так же, как и в известном насосе обеспечивается повышение долговечности герметизирующей мембраны и, следовательно, повышается надежность насоса.

Однако предлагаемый насос обладает преимуществом по сравнению с известным. Для давления в мембранной камере известного насоса во время нагнетания справедливо уравнение (5), а во время всасывания - уравнение (9). Условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране известного насоса имеет вид

Sign GBFi2-GK(F2-Fi) |F2-Fi l (F3- -Fi)|F3-Fil + GK(F2-Fi)| F2-Fil. (13) Соотношения параметров Fi, F2, Рз, GB, GK, при которых зависимость (13) справедлива, также представлены в таблице.

Сравнение данных таблицы показывает, что площадь герметизирующей мембра- ны в предлагаемом насосе может изменяться в более широком диапазоне по сравнению с известным. На практике это позволяет повысить надежность насосов, используя меньшее количество типоразмеров герметизирующих мембран. Кроме того, когда перепад давления на герметизирующей мембране во время одного из тактов (нагнетания или всасывания) имеет оптимальное для ее долговечности значение, коррекция значения этого перепада нецелесообразна. В этом случае использование известного решения может только ухудшить условия работы герметизирующей мембраны, что приведет к снижению надежности насоса. Предлагаемый насос позволяет исключить коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране во время одно- го из тактов (либо при всасывании, либо при нагнетании) и, таким образом, повысить надежность насоса.

Формула изобретения Герметичный поршневой насос, содержащий размещенные.в цилиндре с образованием рабочей камеры шток и поршень с установленным в последнем всасывающим клапаном, герметизирующую мембрану, установленную между цилиндром и штоком с образованием между ней и поршнем штоко- вой полости, причем в последней между мембраной и поршнем на штоке установлен С образованием мембранной, и всасывающей камер дополнительный поршень с каналами для постоянного сообщения указанных камер, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения постоянства направления действующего на мембрану давления, поршень установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, последний снабжен каналом для периодического, на одном из тактов движения пор- шня, дополнительного сообщения мембранной и всасывающей камер между собой, при этом вход в канал штока и поршень в зоне контакта с последним снабжены уплотнительными поясками для периодического перекрытия канала штока при другом такте движения поршня.

536 78

12 13

Изобретение относится к насосострое- нию, в частности к герметичным поршневым насосам, предназначенным для перекачивания агрессивных и токсичных жидкостей. Целью изобретения является повышение надежности путем обеспечения постоянства направления, действующего на мембрану давления. Насос имеет цилиндр 1, поршень 3, установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока 2, герметизирующую мембрану 5, дополнительный поршень 6, всасывающую 7 и мембранную 9 камеры. Шток 2 снабжен каналом 14суплотнитель- ным пояском 15, обращенным в сторону рабочей камеры 13, а поршень 3 снабжен уплотнительным пояском 11. При контакте уплотнительных поясков 11. и 15 образуется герметичный стык, препятствующий дополнительному сообщению всасывающей 7 и мембранной 9 камер между собой. 2 ил., 1 табл.