ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
ULTRAHIGH PRESSURE PLUNGER PUMP

Изобретение относится к машиностроению, в частности к созданию плунжерных насосов сверхвысокого давления, которые используются в качестве силового агрегата высокопроизводительных гидрорезных комплексов: при водоструйной резке и очистке, вырезании изделий сложного контура из листового материала (металл, пластмассы, керамика и др.); при точной резке строительных материалов (бетон, стекло); при резке и очистке трубопроводов; при резке поделочного и облицовочного камня; при резке горных пород при проходке шахт, разрезании корпусов снарядов и вымывании взрывчатых веществ в целях их дальнейшего использования в хозяйстве; при разрезании корпусов подводных лодок при их утилизации, при резке оборудования и трубопроводов при выводе из эксплуатации реакторов в атомной энергетике, а также в других отраслях, использующих высоконапорные насосные установки с рабочим давлением, равным или большим 100 МПа.
Известен плунжерный насос сверхвысокого давления, содержащий корпус и головку с блоком, в котором размещены нагнетательный клапан, сообщающийся с выходным каналом, соосный ему всасывающийся клапан с седлом, сообщающийся с входным каналом, а также установленные в корпусе с возможностью постоянного контакта с блоком клапанов головки плавающую втулку (цилиндр) и скользящую внутри него другую втулку (гильзу), в которой с возможностью перекрытия стыкового зазора между блоком клапанов и этими втулками установлена уплотнительная втулка, и соосный клапанам плунжер, при этом полость между цилиндром и корпусом насоса связана с каналом, выполненным в стенке этого корпуса (см. патент РФ №2030637, кл. F04B 53/00, публ. 1995 г.).
Описанная выше конструкция не обеспечивает на практике надежную работу насоса на сверхвысоких давлениях (более 300 МПа) и большом (более 25 л/мин) расходе на выходе.
Это связано с тем, что для обеспечения большого расхода жидкости на выходе (при неизменных геометрических размерах рабочей камеры) необходимо увеличить частоту возвратно-поступательного движения плунжера, так как при частоте движения плунжера насоса-прототипа выше 2-3 Гц значительно возрастет сила трения по поверхности контакта плунжера и плавающей втулки из-за отсутствия какой-либо смазки и температурной деформации контактируемых деталей, что может привести к заклиниванию плунжера во втулке. При дальнейшей эксплуатации вследствие этого идет интенсивный износ контактирующих поверхностей, увеличение радиального зазора, что приводит к снижению давления в рабочей камере и на выходе к большим утечкам.
Указанные выше проблемы решает изобретение РФ №2150026, кл. F04B 53/00, публ. 2000 г., в котором благодаря изменению конструкции рабочей камеры и новому размещению плунжера с возможностью захода во внутреннюю полость вставки (блока клапанов) с образованием рабочей камеры, при этом внутренняя полость вставки выполнена ступенчатой, а клапаны размещены соосно друг другу и перпендикулярно этой полости. Это позволило значительно снизить удельное потребление энергии, повысить КПД насоса, а также ресурс работы узлов и деталей при частоте движения плунжера выше 5 Гц, давлении на выходе до 600 МПа и расходе более 25 л/мин.
Известен также плунжерный насос сверхвысокого давления, содержащий корпус, соединенную с ним головку со вставкой (блоком клапанов), в которой расположен нагнетательный клапан, с выходным каналом, размещенную в корпусе плавающую втулку (цилиндр), контактирующую со вставкой (блоком клапанов), установленный во втулке (цилиндре) плунжер, уплотнительный узел и всасывающий клапан, причем клапаны расположены соосно с плунжером, при этом вставка (блок клапанов) размещена в головке и в корпусе с возможностью поджатая уплотнительного узла, установленного коаксиально на плунжере и упирающегося с одной стороны в торец втулки (цилиндра), а с другой стороны - в элемент корпуса, причем корпус перекрывает стык между вставкой (блоком клапанов) и втулкой (цилиндром), а в плунжере выполнена осевая полость, сообщающаяся с камерой подпитки и с осевым каналом всасывающего клапана, который закреплен в торцевом отверстии плунжера и образует рабочую камеру, сопряженную с осевым каналом нагнетательного клапана (см. патент РФ №2247262, кл. F04B 53/00, публ. 2004 г.).
Данное изобретение решает те же проблемы, что и предыдущее, однако оно может обеспечить надежную работу насоса лишь при давлении рабочей среды до 300 МПа.
Насосы, описанные выше, хотя и обеспечивают подачу рабочей жидкости, например в режущее сопло, под давлением 300 МПа и выше, при расходе более 25 л/час сложны по своей конструкции, нетехнологичны в изготовлении, а главное ненадежны в работе и обладают низким ресурсом. Это связано с тем, что из-за перепада давления между низким в полости закачки между корпусом и цилиндром и высоким внутри рабочей камеры (между торцом плунжера и нагнетательным клапаном) плавающая втулка (цилиндр) и канал в блоке клапанов, по которому поступает рабочая жидкость, при открытии нагнетательного клапана, куда жидкость идет под высоким давлением, постоянно подвержены циклическим растягивающим напряжениям, что приводит к быстрому износу и разрушению блока клапанов (вставки) и деталей, размещенных в рабочей камере, а также цилиндра (плавающей втулки).
Применение высокопрочных легированных сталей значительно повышает стоимость этих деталей, но не существенно повышает их ресурс. Кроме того, использование щелевого уплотнения с постоянным зазором по всей длине уплотнения в статическом состоянии приводит к тому, что в зазоре между плунжером и гильзой вследствие вязкого течения рабочей жидкости давление падает от рабочего до атмосферного, происходит упругая деформация скользящей втулки (гильзы), которая увеличивает зазор на входе уплотнения, поэтому чтобы получить необходимое падение давления в щели уплотнения, необходимо увеличивать его длину, как это сделано в прототипе.
По своей технической сущности и достигаемому результату плунжерный насос сверхвысокого давления, защищенный патентом №2030637, является наиболее близким к предложению заявителя, и оно выбрано за прототип.
Задача новой разработки состоит в повышении надежности насосов сверхвысокого давления и повышении их ресурса за счет исключения циклических растягивающих напряжений, оказывающих разрушительное действие на блок клапанов, деталей, находящихся в рабочей камере, а также цилиндр, путем исключения перепада давления между рабочей камерой и полостью между цилиндром и корпусом насоса и уменьшения зазора между поверхностью гильзы (скользящей втулки) и плунжером.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом плунжерном насосе, содержащем корпус, соединенную с ним головку с блоком клапанов, в котором размещен нагнетательный клапан, с выходным нагнетательным каналом рабочей жидкости, например, к резательному соплу, и соосный нагнетательному клапану - всасывающий клапан с седлом и входным всасывающим каналом подачи рабочей жидкости в цилиндр, который установлен в корпусе контактно блоку клапанов, при этом в цилиндре соосно клапанам установлена приводная пара плунжер - подпружиненная гильза, а между цилиндром и корпусом выполнена полость с каналом в стенке корпуса, между выходным каналом нагнетательного клапана и полостью между цилиндром и корпусом выполнен канал сообщения, головка установлена с перекрытием блоком клапанов соединения между головкой и корпусом и размещением обоих клапанов внутри последнего, при этом внутренняя поверхность гильзы выполнена конической с образованием переменного зазора между этой поверхностью и поверхностью плунжера, величина которой изменяется от минимально расчетной у клапанного узла до максимально расчетной у выхода из корпуса приводного конца плунжера, а канал в корпусе насоса и выходной канал нагнетательного клапана выполнены с возможностью их перекрытия, при этом седло всасывающего клапана выполнено в виде диска с отверстиями, ответными отверстиям на торце клапанного узла, и закреплено на нем с возможностью замены.
Сообщение выходного канала нагнетательного клапана через канал сообщения с полостью между цилиндром и корпусом позволяет практически исключить перепад давления при открытии нагнетательного клапана между рабочей камерой и полостью, между цилиндром и корпусом, что в свою очередь исключает циклические растягивающие напряжения, возникающие в цилиндре и деталях (клапанах) в рабочей камере, которые их разрушают.
Размещение блока с клапанами в корпусе насоса и в цилиндре также практически исключает возникающие циклические растягивающие напряжения, так как давление внутри рабочей камеры, на блок клапанов и в полости между цилиндром и корпусом практически одинаковы, в результате чего исключается разрушение блока клапанов.
Выполнение внутренней поверхности гильзы конической с образованием переменного зазора между ней и поверхностью плунжера уменьшает рабочий зазор и исключает трение металла по металлу, что также увеличивает срок службы этих деталей и уменьшает габаритные размеры щелевого уплотнения, улучшая качество его работы. Увеличивает срок службы деталей в рабочей камере и выполнение седла всасывающего клапана в виде диска с отверстиями, ответными отверстиям на торце клапанного узла, и крепление его с возможностью замены.
Все это способствует улучшению качества работы насоса, повышению его надежности и увеличению ресурса, а также упрощению конструкции и технологии ее изготовления.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, поясняются чертежами, на которых показан общий вид предлагаемого плунжерного насоса сверхвысокого давления в разрезе для различных вариантов подачи рабочей жидкости к потребителю, например, к резательному соплу:
на фиг. 1 - через канал в корпусе и коллектор, при этом выходной нагнетательный канал перекрыт, например, винтовой пробкой;
на фиг. 2 - через выходной нагнетательный канал, при этом канал в стенке корпуса перекрыт, например, винтовой пробкой, или отсутствует как на фиг.2.
Предлагаемый плунжерный насос сверхвысокого давления состоит из корпуса 1, который заделан в станине 2 со стороны привода (на чертеже привод не показан). С противоположного торца корпуса 1 через уплотнение 3 закреплена головка 4, фланец 5 которой с помощью шпилек 6 с гайками 7 соединен со станиной 2. В головке 4 размещен блок 8 клапанов с перекрытием соединения головки 4 и корпуса 1 в месте уплотнения 3 и размещением внутри корпуса 1 нагнетательного клапана 9 с выходным нагнетательным каналом 10, например, к резательному соплу (на чертеже не показано), и соосно нагнетательному клапану 9, всасывающего клапана 11 с входным всасывающим каналом 12, выполненным в блоке 8 и во фланце 5. Седло 13 всасывающего клапана 11 выполнено в виде диска с отверстиями (на чертеже не показаны), ответными отверстиям на торце клапанного блока 8, и закреплено на упоре 14 с возможностью замены и сообщения с входным всасывающим каналом 12 подачи рабочей жидкости в цилиндр насоса. В корпусе 1 соосно клапанам 9 и 11 и контактно блоку 8 клапанов с одной стороны и через торцовое уплотнение 15 с другой стороны герметично установлен цилиндр 16, с образованием полости «А» между его внешней стенкой и внутренней стенкой корпуса 1. Внутри цилиндра 16 размещена гильза 17 щелевого уплотнения, подпружиненная относительно направляющей 18 пружиной 19 к торцевому седлу 20. Внутри гильзы 17 в направляющих 18 и 21 соосно клапанам 9 и 11 блока 8 установлен приводной плунжер 22. В стенке корпуса 1 выполнен канал 23, а между полостью «А» и выходным нагнетательным каналом 10 выполнен канал 24 сообщения. Внутренняя поверхность гильзы 17 выполнена конической (на чертеже не показано) с образованием между этой поверхностью и плунжером 22 переменного зазора, величина которого изменяется от минимально расчетной со стороны клапанного блока 8 до максимально расчетной у выхода из корпуса 1 конца плунжера 22. Выходной нагнетательный канал 10 и канал 23 в корпусе 1 выполнены с возможностью перекрытия их с помощью, например, винтовых пробок 26 (см. фиг. 1). Оба канала 10 и 23 могут быть связаны, например, с режущим соплом, через коллектор 27.
Плунжерный насос сверхвысокого давления работает следующим образом: плунжер 22 совершает возвратно-поступательное перемещение от привода насосной установки (на чертеже не показано). При перемещении в направляющих 18 и 21 плунжера 22 вправо происходит закачка рабочей жидкости через входной всасывающий канал 12, выполненный во фланце 5 и блоке 8 клапанов, в полость цилиндра 16 через всасывающий клапан 11, который в этот момент под давлением поступающей рабочей жидкости открывается, а нагнетательный клапан 9 закрывается под действием рабочего давления в насосе от других цилиндров (на чертеже не показано). При перемещении плунжера 22 влево до упора 14 всасывающий клапан 11 закрывается, под действием рабочей жидкости, которая сжимается в пространстве между рабочим торцом плунжера 22 и нагнетательным клапаном 9 (в рабочей камере) до достижения рабочего давления, которое поддерживают другие элементы системы нагнетания, затем открывается нагнетательный клапан 9 и рабочая жидкость через его отверстие из камеры «Б» нагнетания клапанного блока 8, через выходной нагнетательный канал 10 поступает в канал 24 сообщения его с полостью «А» и через него в полость «А» между цилиндром 16 и корпусом 1, таким образом охлаждая его, и далее через канал 23 в стенке корпуса 1 и коллектор 27 в резательное сопло (см. фиг. 1). При этом выходное отверстие нагнетательного клапана 10 перекрыто винтовой пробкой 26 (см. фиг. 1), а давление внутри и снаружи цилиндра 16, а также внутри рабочей камеры и снаружи клапанного блока 8 будет одинаковым, что исключает полностью циклические растягивающие напряжения, разрушающие в конце концов основные элементы плунжерного насоса сверхвысокого давления. При движении плунжера 22 вправо происходит закачка рабочей жидкости в цилиндр 16, давление в котором падает до давления 1-2 МПа, а давление в полости «А» сохраняется равным рабочему, возникающие при этом в цилиндре 16 сжимающие напряжения не влияют на усталостную прочность этого цилиндра.
Радиальное уплотнение плунжера обеспечивается бесконтактным щелевым уплотнением в виде гильзы 17, подпружиненной пружиной 19 к торцевому седлу 20 с переменным кольцевым зазором, между внутренней поверхностью 25 гильзы 17 и плунжером 22, увеличивающимся от минимального у входа со стороны клапанного блока 8 головки 4 до максимального у выхода из уплотнения. Зазор в щелевом уплотнении и его длина рассчитываются из условий работы насосной установки, то есть рабочего давления и производительности. При рабочем перемещении плунжера 22 (нагнетании) рабочая жидкость, протекая через радиальный зазор щелевого уплотнения, создает падение давления от рабочего у входа до атмосферного у выхода из уплотнения в дренаж. При этом на наружную поверхность гильзы 17 действует рабочее давление, которое будет деформировать (сжимать) гильзу 17, уменьшая радиальный кольцевой зазор, причем деформация будет изменяться в зависимости от внутреннего давления в радиальном кольцевом зазоре щелевого уплотнения: от нуля у входа до максимального у выхода из уплотнения. Расчет радиального зазора в статическом состоянии, то есть размеров конической внутренней поверхности гильзы 17, ведется из условия, что при рабочем давлении радиальный зазор между плунжером 22 и гильзой 17 будет постоянным и минимально возможным, то есть равным зазору у входа в уплотнение при статическом состоянии, что значительно уменьшает необходимую длину щелевого уплотнения и значительно повышает эффективность его работы.
В настоящее время изготовлен опытный образец предложенного устройства, который прошел испытания на автоматизированном комплексе гидроструйной обработки различных материалов и доказал не только промышленную применимость, но и полностью подтвердил указанный выше технический результат.
Предложенное техническое решение позволило значительно повысить надежность и ресурс работы плунжерного насоса сверхвысокого давления за счет исключения влияния циклических растягивающих напряжений на блок клапанов, цилиндр и размещенные в них элементы конструкции путем исключения разности внутреннего давления в рабочей камере и давления на наружную поверхность рабочей камеры во время работы насоса, что приводит к увеличению срока службы входящих элементов, а также за счет уменьшения длины щелевого уплотнения, что значительно увеличивает эффективность его работы.