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

Предлагаемое устройство относится к насосостроению, а точнее к герметичным насосам, предназначенным для перекачивания загрязненных и кристаллизирующихся жидкостей в технологических гидросистемах.f

Известен герметичный поршневой насос, в цилиндре которого размещены шток, поршень с установленным всасывающим клапаном, включающим седло з поршне и затвор с направляющим хвостовиком, герметизирующую мембрану, установленную между цилиндром и штоком с образованием между ней и поршнем штоковой полости, разделенной установленным на штоке дополнительным поршнем на мембранную и всасывающую камеры, сообщенные между собой отверстиями в дополнительном поршне.

При работе такого насоса происходит периодическое изменение обьема 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 пор- шпя, 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 герч

00

со

сл о

метизирующей мембраны наиболее благоприятны. Недостатком такого насоса является низкая надежность при работе на загрязненных или кристаллизирующихся жидкостях, имеющая место из-за засорения каналов в дополнительном поршне или из- за их зарастания продуктами кристаллизации. Это приводит к повышению сопротивления каналов и нарушению условий, при которых поддерживается постоянство направления перепада давления на герметизирующей мембране.

Цель изобретения - повышение надежности насоса.

Указанная цель достигается тем, что отверстия для сообщения мембранной и всасывающей камер снабжены щелевым дросселеным устройством, поршень установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, последний снабжен каналом, седло всасывающего клапана обращено в сторону мембраны, затвор этого клапана снабжен ограничителем его осевого перемещения, а хвостовик затвора размещен в указанном канале штока с образованием щели дроссельного устройства, тем, что канал штока и хвостовик затвора снабжены односторонними, обращенными один к другому уплот- нительными поясками, выполненными с образованием щели дроссельного устройства для сообщения мембранной и всасывающей камер на одном из тактов работы насоса, а также тем, что канал штока и хвостовик затвора снабжены двусторонними попарно обращенными один к другому уп- лотнительными поясками, выполненными с образованием щели дроссельного устройства для сообщения мембранной и всасывающей камер в каждом такте работы насоса.

На фиг. 1-6 изображены конструктивные схемы насосов, различающихся количеством и ориентацией уплотнительных поясков и реализацией кинематической связи между поршнем и штоком.

Насос (см. фиг.1) имеет цилиндр 1, в котором размещены шток 2, подвижный относительно него поршень 3 и герметизирующая мембрана 4. Расположенная между поршнем 3 и герметизирующей мембраной 4 штоковая полость разделена дополнительным поршнем 5 на штоке 2 на всасывающую камеру 6, сообщающуюся с всасывающей линией 7, и мембранную камеру 8. В штоке 2 со стороны всасывающей камеры 6 выполнен канал 9, сообщающийся с мембранной камерой 8. На поршне 3 выполнен ограничитель 10 его перемещения относительно штока 2 в сторону рабочей камеры 11, В поршне 3 установлен всасывающий клапан, седло 12 которого обращено в сторону всасывающей камеры б, а на хвостовике 13 затвора 14 всасывающего клапана выполнены ограничители 15 и 16

перемещения относительно штока 2 соответственно в сторону рабочей камеры 11 и мембранной камеры 8. На хвостовике 13 затвора 14 со стороны камеры подвода жидкости выполнен уплотнительный поясок 17,

обращенный в сторону мембранной камеры 8. Вокруг входа в канал 9 штока со стороны всасывающей камеры 6 выполнен уплотнительный поясок 18, обращенный в сторону рабочей камеры 11 и образующий дроссель

с уплотнительным пояском 17. Между штоком 2 и затвором 14 всасывающего клапана установлена пружина 19.

Насос, изображенный на фиг.1, работает следующим образом.

Шток 2 совместно с поршнем 3 совершает в цилиндре 1 возвратно-поступательное движение, благодаря чему происходит изменение объема рабочей камеры 11 и перекачивание жидкости. При этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 8, вызывающее перемещение по направлению течения жидкости между ней и всасывающей камерой 6. Во время всасывания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к рабочей камере 11 положение, При этом ограничитель 15 прижимается к штоку 2 пружиной 19. Всасывающий клапан при этом открыт, а щель дроссельного

устройства между уплотнительными поясками 17 и 18 раскрыта таким образом, что общее сопротивление каналов, соединяющих всасывающую б и мембранную 8 камеры, пренебрежимо мало и давление в

мембранной камере 8 определяется потерями давления на всасывающей линии 7. Расход QD во всасывающей линии 7 во время всасывания:

QB-VBFi,(1)

где VD - скорость движения штока 2 во время всасывания;

FI - эффективная площадь герметизирующей мембраны 4 с учетом площади ее жесткого центра.

Давление Рм в мембранной камере 8 во время всасывания:

PM Po-pGBVB2Fi,(2)

где Ро - давление окружающей среды и давление на входе во всасывающую линию 7;

р- плотность рабочей жидкости:

GB - гидравлическое сопротивление всасывающей линии 7.

Во время всасывания поршень смещен относительно штока 2 в крайнее по направлениго к мембранной камере 8 положение. Всасывающий клапан закрыт, а ограничитель 16 прижимается к штоку 2, образуя одностороннюю кинематическую связь между штоком 2 и поршнем 3. Уплотнитель- ные пояски 17 и 18 образуют щель дроссельного устройства, сопротивление которого обеспечивает коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране 4. Расход жидкости Од через дроссель, образованный уплотнительными поясками 17 и редел яется скоростью изменения объема мембранной камеры 8:

Qfl VH(F2-Fi),(3)

где VH - скорость движения штока 2 во вре- мя нагнетания;

F2 - площадь дополнительного поршня 5.

Расход жидкости во всасывающей линии 7 во время нагнетания:

QB - (F3 - FI) У„ + Од VH (Рз - Fl), (4) где Рз - площадь поршня 3.

Давление в мембранной камере 8 во время нагнетания определится суммой потерь давления на всасывающей линии 7 и на дросселе, образованном уплотнительными поясками 17 и 18:

Рм Ро - р VH2 Gc (F3 - Fi) | F3 - Fi H- +Gfli(F2-Fi) |F2-Fi|,(5)

где 6д1 - гидравлическое сопротивление щели дроссельного устройства, образованного уплотнительными поясками 17 и 18 при нагнетании.

Из зависимостей (2) и (5) можно получить условие постоянства направления пе- репада давления на герметизирующей мембране 4:

sign (GeFi2) sign GB (F3- Fi) JF3 - Ft | + + GAi(F2-F1)iF2-FijJ,(6)

При соотношении параметров Fi, F2, Рз, GB, СД1, удовлетворяющих условию (6), направление перепада давления на герметизирующей мембране остается неизменным в течение всего рабочего цикла. Это препятствует образованию на герметизирующей мембране 4 складок и перетиранию ее материала, В результате этого в предлагаемом устройстве, также как и в прототипе, обеспечивается повышение долговечности герметизирующей мембраны 4 и, следовательно, обеспечивается повышение надежности насоса. При работе насоса происходит принудительное перемещение штока 2, поршня 3 и затвора 14 относительно друг друга, что препятствует зараста нию дросселирующей щели между уплотнительными поясками 17 и 18. Поток жидкости, вытекающий из мембранной камеры 8 во время всасывания, когда расстояние между уплотнительными поясками 17 и 18 максимально, промывает дросселирующую щель между этими поясками. Эти меры при работе на кристаллизирующихся или загрязненных жидкостях препятствуют зарастанию и засорению дросселя, обеспечивающего коррекцию перепада Явления на герметизирующей мембране 4. Таким образом обеспечивается стабильность условий коррекции этого перепада давления и повышение надежности насоса.

Насос, изображенный на фиг.2, отличается от насоса на фиг.1 тем, что ограничитель 10 ограничивает перемещение поршня 3 относительно затвора 14 в сторону рабочей камеры 11, а между штоком 2 и затвором 14 отсутствует пружина. Обозначения на фиг.2 соответствуют обозначениям на фиг.1.

Работа насоса, изображенного на фиг.2, отличается от работы насоса на фиг.1 тем, что затвор 14 всасывающего клапана выполняет функцию двусторонней кинематической связи между штоком 2 и поршнем 3, ограничивая во время всасывания перемещение последнего относительно штока 2 в сторону рабочей камеры 11. В остальном работа насоса соответствует работе насоса, изображенного на фиг.1, а полученные зависимости сохраняют справедливость.

Насос, изображенный на фигЗ, отличается от насоса на фиг.1 тем, что уплотни- тельный поясок 17 на хвостовике 13 затвора 14 всасывающего клапана обращен в сторону рабочей камеры 11, а уплотнительный поясок 18 на штоке 2 обращен в сторону мембранной камеры 8, Обозначения на фиг.З соответствуют обозначениям на фиг.1.

Работа насоса, изображенного на фиг.З, происходит следующим образом.

Во время всасывания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к рабочей камере 11 положение. При этом, так же как и в насосе на фиг. 1, ограничитель 15 прижимается к штоку2 пружиной 19. Всасывающий клапан открыт, а уплотнительные пояски 17 и 18 образуют дроссель, сопротивление которого обеспечивает коррекцию перепада давления на герметисирующей мембране 4. Расход Од через щель дроссельного устройства определяется скоростью изменения объема мембранной камеры 8:

Од V0 (F2 - Fi).(7)

Расход жидкости во всасывающей линии 7 во время всасывания описывается уравнением (1), тогда давление в мембранной камере 8 во время всасывания определяется суммой потерь давления на всасывающей линии 7 и на дросселе, образованном уплотнительными поясками 17 и 18:

Рм - Ро -р VB2 GB F12 - СД2 (F2 - - F2) I F2 - F2 I,(8)

где Сд2 - гидравлическое сопротивление дросселя, образованного уплотнительными поясками 17 и 18 при всасывании.

Во время нагнетания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 8 положение. Всасывающий клапан закрыт, ограничитель 16 прижат к штоку 2, щель между уплотнительными поясками 17 и 18 раскрыта таким образом, что сопротивление канала, соединяющего всасывающую 6 и мембранную 8 камеры, пренебрежимо мало. Давление в мембранной камере 8 опре- деляется потерями давления во всасывающей линии 7, расход в которой во время нагнетания описывается уравнением (3). Давление в мембранной камере 8 во время нагнетания:

Рм Ро - /OGB VH2 (F3 - Fi) JF3 - R, (9) Лз зависимостей (8) и (9) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране 4: sign GB Fi2 - GA2 (Fa Fi) | F2 - FI | -- slgn(F3-Fi) lF3-Fil (10) При соотношении параметров Fi, Fa, Рз. GB, СД2, удовлетворяющих условию (6), направление перепада давления на гермети- зирующей мембране остается неизменным в течение всего рабочего цикла. Это препятствует образованию на герметизирующей мембране 4 складок и перетиранию ее материала. В результате этого в предлагаемом устройстве, также как и в прототипе, обеспечивается повышение долговечности герметизирующей мембраны 4 и, следовательно, обеспечивается повышение надежности насоса. Принудительное пере- мещение штока 2, поршня 3 и затвора 14 относительно друг друга, также как и в насосах на фиг. 1 и 2, препятствует зарастанию дросселирующей щели между уплотнительными поясками 17 и 18, а поток жидкости, протекающий через эту щель во время нагнетания, когда расстояние между этими поясками максимально, промывает ее. Эти меры при работе а кристаллизирующихся или загрязненных жидкостях препятствуют зарастанию и засорению дросселя, обеспечивающего коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране 4. Таким образом обеспечивается стабильность уеловий коррекции этого перепада давления и повышение надежности насоса,

Насос, изображенный на фиг.4, отличается от насоса на фиг.З тем, что ограничитель 10 ограничивает перемещение поршня

3 относительно затвора 14 в сторону рабочей камеры 11, а между штоком 2 и затвором 14 отсутствует пружина. Обозначения на фиг.4 соответствуют обозначениям на фиг.З.

Работа насоса, изображенного на фиг.4 отличается от работы насоса на фиг.1 тем, что затвор 14 всасывающего клапана сы- полыяет функцию двусторонней кинематической связи между штоком 2 и лоршием 3, ограничивая во время всасывания перемещение последнего относительно штока 2 в сторону рабочей камеры 11. В остальном работа насоса соответствует работе насоса, изображенного на фиг.З, а полученные зависимости сохраняют справедливость,

На фиг.5 изображен насос, отличающийся от насосов на фиг,1 и 3 тем, что уп- лотнительные пояски 17 и 18 выполнены двусторонними и попарно обращены один к другому. Эти пояски образуют дроссели, обеспечивающие коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране 4 как при нагнетании, так и при всасывании. Остальные обозначения на фиг.5 соответствуют обозначениям на фиг.1 и 3.

Работа насоса, изображенного на фиг.5, происходит следующим образом.

Во время всасывания поршень 3 смещен относительно штока в крайнее по направлению к рабочей камере 11 положение. При этом, также как и в насосах на фиг.1 и 3, ограничитель 15 прижимается к штоку пружиной 19. Всасывающий клапан открыт, а двусторонний уплотнительный поясок 17 смещен относительно двустороннего уплот- нительного пояска 18 в сторону рабочей камеры 11. Эти пояски образуют дроссель, сопротивление которого обеспечивает корректировку перепада давления на герметизирующей мембране 4, Для всасывания справедливы уравнения (1), (7), (8). Во время нагнетания поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 8 положение. Всасывающий клапан закрыт, ограничитель 16 прижат к штоку 2, а двусторонний уплотнительный поясок 17 смещен относительно двустороннего уплотнительного пояска 18 в сторону мембранной камеры 8. Эти пояски образуют дроссель, сопротивление которого обеспечивает корректировку перепада давления на герметизирующей мембране 4. Для нагнетания справедливы уравнения (3), (4), (5). Из (5) и (8) можно получить усилие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране 4:

sign Go (Fa -Fi) IF3-FiH

+ GA1 (F2 - Fi) I F2 - Fi I

sign Go Fi2 - Сд2 (F2 - Fi) I F2 - Fil

(11)

При соотношении параметров Fi, F2, Fs, GB. 6д1, Сд2, удовлетворяющем условию (11), направление перепада давления на герметизирующей мембране остается постоянным в течение всего рабочего цикла. В результате этого, так же как и в пр ототипе, обеспечивается повышение долговечности герметизирующей мембраны 4 и, следовательно, обеспечивается повышение надежности насоса. При работе насоса происходит принудительное перемещение штока 2, поршня 3 и затвора 14 относительно друг друга, препятствующее зарастанию дросселирующих щелей между двусторонними уплотнительные поясками 17 и 18, а также обеспечивается промывка этих щелей потоком жидкости, перетекающей по дополнительному каналу 10. Эти меры препятствуют засорению и зарастанию дросселей, что стабилизирует условия коррекции перепада,давления на герметизирующей мембране и повышает надежность насоса.

Насос, изображенный на фиг.6, отличается от насоса на фиг.5 тем, что ограничитель 10 ограничивает перемещение поршня 3 относительно затвора 14 в сторону рабочей камеры 12, а между штоком 2 и затвором 14 всасывающего клапана отсутствует пружина. Обозначения на фиг.6 соответствуют обозначениям на фиг.5.

Работа насоса, изображенного на фиг.б, отличается от работы насоса на фиг,5 тем, что затвор всасывающего клапана выполняет функцию двусторонней кинематической связи между штоком 2 и пор.шнем 3, ограничивая перемещение последнего во время всасывания в сторону рабочей камеры 11, а во время нагнетания - в сторону мембранной камеры 8. В остальном работа насоса, изображенного на фиг.6 соответствует работе насоса на фиг.5, а зависимость (11) сохраняет справедливость,

Предлагаемое устройство обладает по сравнению с прототипом повышенной надежностью. Этот эффект достигается тем, что шток, поршень и затвор всасывающего клапана изменяют взаимное расположение при всасывании и нагнетании, а коррекция перепада давления на герметизирующей мембране осуществляется за счет потерь давления на дросселях, образованных уп- лотнительными поясками но штоке и на хвостовике затвора всасывающего клапана. При таком решении каналы во вспомогательном поршне выполняются с большой площадью сечения и малым сопротивлением, что исключает их засорение, а кристаллизация жидкости на их поверхности практически не изменяет их сопротивления. Принудительное перемещение поршня и за- 5 твора всасывающего клапана относительно штока, происходящее в каждом рабочем цикле препятствует зарастанию направляющих и дросселирующих щелей продуктами кристаллизации. В каждом рабочем цикле

0 при раскрытии дросселирующих щелей, образованных уплотнительными поясками на хвостовике затвора и штоке, обеспечивается промывка этих щелей потоком жидкости, протекающей по каналам во вспомогатель5 ном поршне. Это стабилизирует условия коррекции перепада давления на герметизирующей мембране, в результате чего повышается ее долговечность, а значит, повышается и надежность насоса. Кроме то0 го, в прототипе сопротивление каналов, соединяющих всасывающую и мембранную камеры;практически одинаково как при всасывании, так и при нагнетании. В связи с этим поддерживать постоянное направле5 ние перепада давления на герметизирующей мембране возможно в относительно узком диапазоне соотношения площадей поршня, дополнительного поршня и герметизирующей мембраны. При этом затрудни0 тельно обеспечить и для всасывания, и для нагнетания значение перепада давления на герметизирующей мембране, оптимальное с точки зрения ее долговечности. В предлагаемом устройстве сопротивление дроссе5 лей, обеспечивающих коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране, можно подбирать так. чтобы это значение перепада давления было оптимальным как для нагнетания, так и для всасывания.

0 Это также обеспечивает повышение долговечности герметизирующей мембраны. Формула изобретения- 1. Герметичный поршневой насос, содержащий размещенные в цилиндре с обра5 зованием рабочей камеры шток и поршень с установленными а последнем всасывающим клапаном, включающим седло в поршне и затвор с направляющим хвостовиком, герметизирующую мембрану, установлен0 ную между цилиндром и штоком с образованием между ней и поршнем штоковой полости, разделенной установленным на штоке дополнительным поршнем на мембранную и всасывающую камеры, соединен5 ные между собой отверстиями, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, отверстия для сообщения мембранной и всасывающей камер снабжены щелевым дроссельным устройством, поршень установлен с возможностью огранинемного осевого перемещения относительно штока, последний снабжен каналом, седло всасывающего клапана обращено в сторону мембраны, затвор этого клапана снабжен ограничителем его осевого перемещения, а хвостовик затвора размещен в канале штока с образованием щели дроссельного устройства,

2. Насос по п. 1,отличающийся тем, что канал штока и хвостовик затвора всасывающего клапана снабжены обращенными один к другому односторЪнними уп- лотнительными поясками, выполненными с

образованием щели дроссельного устройства для сообщения мембранной и всасывающей камер на одном из тактов работы насоса.

3. Насос по п-1. отличающийся тем, что канал штока и хвостовик затвора всасывающего клапана снабжены двусторонними попарно обращенными один к другому уплотнительными поясками, выполненными с образованием щели дроссельного устройства для сообщения мембранной и всасывающей камер на каждом такте работы насоса.

Использование: в герметичных насосах, предназначенных для перекачивания загрязненных и кристаллизирующихся жидкостей в технологических гидросистемах. Сущность изобретения: перемещение штока, поршня и затвора всасывающего клапана относительно друг друга препятствует зарастанию щелей дроссельного устройства продуктами кристаллизации. Коррекция перепада давления на герметизирующей мембране осуществляется за счет потерь на щели дроссельного устройства. Площадь каналов, соединяющих всасывающую и мембранные камеры, может быть достаточно большой, чтобы кристаллизация жидкости или ее загрязненность не влияли бы на общее сопротивление каналов. При переходе от нагнетания к всасыванию и обратно происходит изменение проходного сечения щели дроссельного устройства, образованного уплотнительными поясками на штоке и хвостовике затвора всасывающего канала, это препятствует зарастанию щелей дроссельного устройства и обеспечивает их промывку жидкостью. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. сл С

k & 9

Фиг /

3 И

2 It

5 7 6 3 И №

ШШ lЈ

Фиг Ј,

I 48951 6 Ю 3 // «

о

иг

п

СО

х

V

«ч

-&

1

L b S 9 5 7 б /7 3 H

Фиг. 6