Насос
PUMP

Изобретение относится к устройствам для перекачивания густых жидкостей с абразивами, в частности к поршневым насосам, например к буровым и нефтепромысловым насосам.
Известен насос, содержащий корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, в корпусе жестко установлен, по крайней мере, один цилиндр, выполненный в виде стакана, с размещенным в нем с образованием рабочей полости поршнем, связанным со штоком, пропущенным через центральное отверстие в донной части стакана, рабочая полость цилиндра сообщена с нагнетательным коллектором через нагнетательный клапан, обратная сторона которого служит седлом всасывающего клапана, выполненного в виде охватывающей поршень втулки, снабженной горловиной, расположенной в рабочей полости, установленной подвижно относительно цилиндра и поршня и имеющей привод ее возврата к седлу, а рабочая полость сообщена через кольцевой канал между седлом и горловиной втулки со всасывающей полостью корпуса, и крышку (см. А.с. СССР №1368482, МПК F04В 15/00 от 03.02.86 г.).
Недостатками известного насоса является значительная трудоемкость обслуживания уплотнительных элементов клапанов, недостаточная надежность герметизации клапанов.
Известен насос, содержащий корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, корпус выполнен как минимум с одним отверстием для размещения цилиндра, выполненного в виде стакана с центральным отверстием в донной части и с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, и разобщения нагнетательного коллектора от всасывающей полости и атмосферы, нагнетательный клапан и седло установлены внутри цилиндра перед крышкой, закрепленной посредством разъемного соединения, а в цилиндре выполнено как минимум одно сквозное радиальное отверстие для сообщения нагнетательной полости с нагнетательным коллектором, а также продольные пазы перед седлом и как минимум одно радиальное отверстие в донной части, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен, ответно центральному отверстию, бурт (см. патент РФ №2286480, МПК F04B 15/00 от 20.05.2005 г.).
Выполнение цилиндров насоса в виде отдельных съемных модулей существенно сокращает продолжительность обслуживания при одновременном повышении качества сборки.
Недостатками известного насоса являются значительная трудоемкость обслуживания уплотнительных элементов клапанов, недостаточная надежность герметизации клапанов.
Известен насос, содержащий привод, корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью, в котором выполнено как минимум одно отверстие для размещения цилиндра, выполненное в виде стакана с центральным отверстием в донной части и разобщающего нагнетательный коллектор от всасывающей полости и атмосферы, нагнетательный клапан и седло, установленные внутри цилиндра перед крышкой, поршень со штоком, обратная сторона седла нагнетательного клапана служит седлом всасывающего клапана, выполненного в виде охватывающей поршень втулки с образованием рабочей и штоковой полостей, в цилиндре выполнено как минимум одно сквозное радиальное отверстие для сообщения нагнетательной полости с нагнетательным коллектором, а также продольные пазы перед седлом и как минимум одно радиальное отверстие в донной части цилиндра для сообщения соответственно рабочей и штоковой полостей со всасывающей полостью, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен ответно центральному отверстию в донной части цилиндра бурт, нагнетательный и всасывающий клапаны (см. Патент РФ №2629859, МПК F04B 15/00, F04B 53/10, F16K 1/42, 2017 г.), который принят за прототип.
Выполнение седла клапанов сборным позволяет снизить перекос упорно-уплотнительных поверхностей запорных органов и седла клапанов.
Недостатками известного насоса являются значительная трудоемкость изготовления и обслуживания уплотнительных элементов клапанов, недостаточная надежность герметизации клапанов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение герметичности клапанов при одновременном снижении трудоемкости их изготовления и обслуживания.
Решение технической задачи достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с всасывающей полостью, в котором выполнено, как минимум, одно отверстие для размещения цилиндра, выполненного в виде стакана с центральным отверстием в донной части, запорный орган нагнетательного клапана с пружиной и седло, установленные внутри цилиндра перед крышкой, поршень со штоком, обратная сторона седла служит седлом всасывающего клапана, запорный орган которого выполнен в виде охватывающей поршень втулки с образованием рабочей и штоковой полостей, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен ответно центральному отверстию в донной части цилиндра бурт, крышка и запорный орган нагнетательного клапана снабжены ответно выполненными центральным цилиндрическим глухим отверстием и направляющим стержнем с образованием камеры переменного объема, согласно техническому решению, седло клапанов выполнено в виде шарика со сквозным осевым отверстием, внутреннее отверстие цилиндра в средней части выполнено коническим с возможностью взаимодействия с седлом.
Запорный орган нагнетательного клапана выполнен в виде стакана, ответно цилиндрическому отверстию крышки, а пружина размещена в камере переменного объема.
На торцах втулки и запорного органа нагнетательного клапана со стороны седла выполнены расточка и обточка соответственно, на которые неподвижно насажены опорно-уплотнительные узлы, выполненные в виде втулок.
Часть боковой поверхности седла, сопрягаемая с конической поверхностью цилиндра, может быть выполнена конической, ответно поверхности цилиндра.
Расточка втулки и сопрягаемая с ней боковая поверхность опорно-уплотнительного узла выполнены коническими.
Автору и заявителе известен шаровой кран, содержащий корпус со сквозным цилиндрическим отверстием с седлами, в котором установлен запорный орган в виде шарика с осевым центральным отверстием с возможностью взаимодействия с седлами и поворота вокруг оси, перпендикулярной оси шарика и перекрытия отверстия шарика, а оси отверстий лежат в одной плоскости (см. кн. Справочник мастера по ремонту нефтегазового технологического оборудования. М.: Инфра-Инженерия, 2008, с. 66, рис. 1.30).
В указанном кране шарик поворачивается относительно седел, не отрываясь от них. В связи с этим уплотнение стыка между наружной поверхностью шарика и поверхностью корпуса обеспечиваются седлами.
В предлагаемом устройстве седло, выполненное в виде шарика со сквозным отверстием, насаженное герметично на коническую поверхность цилиндра, выполняет функцию седла клапана, попеременно взаимодействуя с запорными органами клапанов насоса. Несоосное расположение запорных органов клапанов не приводит к потере герметичности клапанов при их посадке запорных органов на одно и тоже седло.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображен общий вид гидравлической части насоса (продольный разрез одного цилиндра);
На фиг. 2 - вариант исполнения опорно-уплотнительного узла всасывающего клапана.
Насос содержит корпус 1 (фиг. 1) с нагнетательным коллектором 2 и всасывающей полостью 3. В корпусе 1 выполнено как минимум одно отверстие 4 для размещения, как минимум, одного цилиндра 5, закрепленного в отверстии 4 с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, например, гайки 6 и разобщения нагнетательного коллектора 2 от всасывающей полости 3 и атмосферы. Отверстие 4 выполнено сопрягаемым с поверхностью цилиндра 5, например, ступенчатым с упором 7. Внутри цилиндра 5, с образованием рабочей 8 и штоковой 9 полости, размещен поршень 10, который связан со штоком 11, снабженным буртом 12 и пропущенным через центральное отверстие 13 в донной части цилиндра 5. Шток 11 цилиндра 5 закреплен с приводом (на фиг. не показан).
Цилиндр 5 снабжен общим седлом 14 запорного органа 15 нагнетательного клапана, выполненного, например, в виде стакана, и запорного органа 16 всасывающего клапана, выполненного в виде охватывающей поршень 10 втулки.
На концевых участках запорных органов 15 и 16 клапанов, выполнены, например, обточка и расточка соответственно (на фиг. не указаны), на которые неподвижно насажены, например, запрессованы, опорно-уплотнительные узлы 17 и 18, выполненные в виде цилиндрических втулок. Узлы 17 и 18 могут быть взаимозаменяемыми.
Боковые поверхности расточки (фиг. 2) втулки 16 и опорно-уплотнительного узла 18 могут быть выполнены коническими (на фиг. не указаны), ответно друг другу. Угол между боковой поверхностью и осью втулки 16 выбирается в пределах 5°-7°, меньше угла трения.
В средней части цилиндра 5 центральное его отверстие (на фиг. указано) выполнено с конической поверхностью 19, а седло 14, выполненное в виде шарика со сквозным осевым отверстием 20, посажено на указанную поверхность 19 с возможностью разъединения всасывающей 3 и нагнетательной 21 полости, а также с образованием кольцевого канала 22 между горловиной втулки 16 и цилиндром 5. Угол конуса поверхности 19 (на фиг. не указан) может меняться от острого до тупого, что влечет также изменение длины поверхности 19. При этом часть боковой поверхности седла 14, сопрягаемая с поверхностью 19 цилиндра 5, может быть выполнена конической, ответно поверхности 19.
Запорный орган 16 всасывающего клапана установлен подвижно относительно цилиндра 5 и поршня 10 и имеет привод возврата к седлу 14 в виде полости управления, представляющую собой штоковую полость 9.
Запорный орган 15 нагнетательного клапана и седло 14 установлены внутри цилиндра 5 перед крышкой 23, закрепленной в нем посредством разъемного соединения, например гайки 24. В крышке 23, ответно запорному органу 15, выполнено глухое осевое цилиндрическое отверстие (на фиг. не указано), выполняющее функцию направляющей запорного органа 15. Запорный орган 15 установлен в указанное отверстие с возможностью ограниченного осевого перемещения относительного крышки 23 с образованием камеры 25 переменного объема, и взаимодействия опорно-уплотнительного узла 17 с седлом. Наружная боковая поверхность запорного органа 15, выполненная ответно центральному отверстию (на фиг. не указано) крышки 23 также выполняет функцию направляющей. При этом запорный орган 15 подпружинен относительно крышки пружиной 26, установленной, например, в камере 25 переменного объема. Камера 25 выполнена с возможностью сообщения с нагнетательной полостью 21 посредством осевых и радиальных каналов (на фиг. не указаны), выполненных, например, в запорном органе 15. Длина сопрягаемой с крышкой 23 части запорного органа 15 может составит больше половины его длины.
В цилиндре 5, между крышкой 23 и седлом 14, выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 27 для сообщения нагнетательной полости 21 с нагнетательным коллектором 2, а также продольные сквозные пазы 28 за седлом 14, ближе к горловине втулки 16, для сообщения рабочей полости 8 с всасывающей полостью 3. В донной части цилиндра 5 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 29 с возможностью сообщения штоковой полости 9 с всасывающей полостью 3.
Поршень 10 спереди может быть снабжен цилиндрическим выступом 30, ответно выполненным сквозному осевому отверстию 20.
Монтаж насоса осуществляют следующим образом.
Сборку цилиндра 5 осуществляют в виде отдельного блока в цеховых условиях. Сначала поршень 10 соединяют со штоком 11, на поршень 10 насаживают втулку 16 всасывающего клапана и устанавливают в стакане цилиндра 5 до упора, размещая шток 11 в отверстии 13 донной части. Затем в цилиндре 5 размещают седло 14, крышку 23 с запорным органом 15 нагнетательного клапана с пружиной 26, и крышку 23 закрепляют гайкой 24.
Готовый блок цилиндра 5 размещают в отверстии 4 корпуса 1 насоса до упора 7, частично перекрывая нагнетательный коллектор 2 цилиндром 5. Цилиндр 5 закрепляют в отверстии 4 корпуса 1 насоса гайкой 6.
Демонтаж блока цилиндра 5 осуществляют в обратном порядке.
Насос работает следующим образом.
Пусть поршень 10 (фиг. 1) перемещается влево и приближается к левому крайнему положению. При этом запорный орган 15 нагнетательного клапана чуть приподнят над седлом 14. Давление в рабочей полости 8 равно давлению нагнетания, т.е. в нагнетательной полости 21. Седло 14 при этом прижато к поверхности 19 от перепада давления в полостях 21 и 3, обеспечивая герметичность стыка цилиндр 5 - седло 14.
При обратном ходе поршня 10 вправо давление в полостях 20 и 8 снижается, и запорный орган 15 опускается на седло 14. Даже при несовпадении осей запорного органа 15 и цилиндра 5 не нарушается герметичность всасывающего клапана вследствие отсутствия зазора между поверхностью шарика 14 и опорно-уплотнительным узлом 17. Когда длина сопрягаемой с крышкой 23 части запорного органа 15 значительная, например, больше половины его длины, запорный орган 15 сохраняет практически горизонтальное положение при таком расположении насоса. При этом контактное давление на боковой поверхности сопрягаемых пар незначительно вследствие значительного диаметра сопрягаемой с крышкой 23 части запорного органа 15.
Когда давление в рабочей полоти 8 становится ниже давления во всасывающей полости 3, втулка 16 под действием сил трения и силы, определяемой перепадом давлений в рабочей полости 9 и во всасывающей полости 3, перемещается вправо. Жидкость из полости 3 через продольные пазы 28, кольцевой канал 22 поступает в рабочую полость 8.
При этом жидкость из штоковой полости 9 управления через отверстие 13 перетекает во всасывающую полость 3 насоса.
Объем поступающей при этом жидкости из всасывающей магистрали (на фиг. не показана) меньше объема рабочей полости 9 и равен разности объемов рабочей полости 8 и штоковой полости 9 управления, поэтому давление во всасывающей полости 3 изменяется незначительно.
При дальнейшем перемещении втулка 16 перекрывает боковое отверстие 29 в цилиндре 5, что приводит к возрастанию давления в полости 9 управления и замедлению перемещения втулки 16. Втулка 16 при подходе к крайнему правому положению взаимодействует с днищем цилиндра 5 и останавливается.
При подходе поршня 10 к правому крайнему положению передняя часть бурта 12 штока 11 перекрывает отверстие 13 в днище цилиндра 5, что вызывает повышение давления в полости 9 управления. При движении поршня 10 давление в полости 9 еще поднимается и под действием создавшегося перепада давления происходит перемещение втулки 16 влево, в сторону седла 14.
В конце хода всасывания втулка 16 сажается на седло 14, разъединяя рабочую полость 8 от всасывающей полости 3. При несоосности втулки 16 и цилиндра 5 опорно-уплотнительные узлы 18 плотно, без зазора, взаимодействуют с седлом 14. При этом штоковая полость 9 управления сообщается со всасывающей полостью 3 через каналы 13 и 29.
В начале перемещения поршня 10 влево, в сторону рабочей полости 8, втулка 16 дополнительно прижимается к седлу 14 возникающими между поршнем 10 и втулкой 16 силами трения и силой от перепада давления. Максимальное усилие от перепада давления пропорционально площади сечения опорно-уплотнительного узла 18, определяемое его диаметрами.
При выполнении сопрягаемых посадочных поверхностей втулки 16 (фиг. 2) и опорно-уплотнительного узла 18 коническими, максимальное усилие на него со стороны рабочей полости 8 пропорционально неуравновешенной площади сечения узла 18, определяемой внутренними диаметрами втулки 16 и узла 18.
При этом давление в штоковой полости 9 снижается и жидкость из всасывающей полости 3 через каналы 13 и 29 цилиндра 5 перетекает в полость 9.
С ростом давления в рабочей полости 8 запорный орган 15 нагнетательного клапана открывается, и жидкость из рабочей полости 8 поступает в нагнетательную полость 21.
Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно повышает герметичность клапанов даже при несоосности их запорных органов с цилиндром. При этом упрощается конструкция и обслуживание насоса, снижется трудоемкость изготовления и обслуживания. Оснащение насоса общим седлом для всасывающего и нагнетательного клапанов позволяет обеспечивать герметизацию седла, обеих клапанов при отсутствии эластичных уплотнительных узлов. Выполнением запорного органа нагнетательного клапана в виде стакана ответно центральному глухому отверстию крышке обеспечивается ограниченное осевое перемещение запорного органа, соосно цилиндру.