Клапанный узел насоса

Полезная модель относится к гидромашиностроению, в частности к клапанным узлам насосов высокого давления, в частности плунжерных и поршневых насосов, преимущественно нефтегазопромысловой отрасли, работающих в условиях агрессивной среды, т.е. среды с высокой концентрацией твердых частиц и высокого давления.
Из уровня техники известен клапанный узел плунжерного насоса, содержащий корпус, в полости которого размещено седло с осевым каналом и конической рабочей поверхностью, и тарельчатый клапан с периферийным эластомерным уплотнителем, зафиксированным в кольцевой канавке, и направляющей крестовиной, расположенной в осевом канале седла (RU 1351 U1, 16.12.1995).
Наиболее близким аналогом известным из уровня техники является клапанный узел насоса, содержащий седло, имеющее осевой канал и канавку с расположенным в ней уплотнительным кольцом, и тарельчатый клапан с периферийным эластомерным уплотнителем, зафиксированным в кольцевой канавке, и крестовиной с направляющими ножками, контактирующими со стенкой осевого цилиндрического канала седла, при этом седло в верхней части снабжено кольцевым выступом, имеющим внутреннюю коническую рабочую поверхность, наклоненную к продольной оси клапанного узла, а клапан в верхней своей части подпружинен конической пружиной (СА 2991124 A1, F16K 1/36, 05.01.2017).
Недостатком известных конструкций клапанных узлов является неравномерное центрирование и распределение ударных нагрузок на рабочую поверхность клапана и повышенное изнашивание направляющих клапана, что приводит к уменьшению ресурса и снижению надежности в работе клапанного узла.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении ресурса и надежности работы клапанного узла.
Технический результат достигается за счет того, что клапанный узел насоса включает седло клапана, имеющее осевой канал и канавку с расположенным в ней уплотнительным кольцом, и тарельчатый клапан с периферийным эластомерным уплотнителем, зафиксированным в кольцевой канавке, и крестовиной с направляющими ножками, расположенной в осевом канале седла, при этом седло в верхней части снабжено кольцевым выступом, имеющим внутреннюю коническую рабочую поверхность, наклоненную к продольной оси клапанного узла под первым углом, рабочая поверхность эластомерного уплотнителя выполнена со скруглением в направлении рабочей поверхности седла и в поперечном сечении имеет радиус R, на внутренней поверхности осевого канала выполнены фасонная поверхность, в виде радиусного скругления RR относительно продольной оси, и коническая поверхность, выполненная с наклоном под вторым углом к продольной оси, при этом на внутренней поверхности каждой направляющей ножки выполнены лопасти.
При перемещении рабочей среды по каналу вверх, крестовина скользит по каналу седла и за счет направляющих ножек и выполнения лопастей на них по мере перемещения придает вращение и одновременно центрирование клапану, что приводит клапан в закрытом состоянии на новое положение на седле, тем самым винтовая крестовина устанавливает соосность между седлом и клапаном и приводит к равномерному износу (однородному износу) рабочей поверхности уплотнения клапана и уменьшает износ направляющих ножек крестовины, что позволяет повысить ресурс и надежность работы клапанного узла.
Рабочая поверхность эластомерного уплотнения, установленного в кольцевой канавке тарельчатого клапана, выполнена со скруглением в направлении рабочей поверхности седла и в поперечном сечении имеет радиус R, который приводит к плавному закрытию тарельчатого клапана. Поскольку эластомерное уплотнение с увеличивающимся усилием на него постепенно сжимается от периферии к центру, тем самым уменьшаются ударные нагрузки на рабочую поверхность седла и клапана, а это повышает срок службы периферийного эластомерного уплотнения, что приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
На внутренней поверхности осевого канала выполнены фасонная поверхность, в виде радиусного скругления RR относительно продольной оси, и коническая поверхность, выполненная с наклоном под вторым углом к продольной оси. Таким образом, из-за условия разности пропуска рабочей жидкости (поскольку коническая поверхность, фасонная поверхность и цилиндрическая поверхность седла выполнены с различным диаметром в сечении) в осевом канале обеспечивается возможность для демпфирования клапана при работе с рабочей жидкостью, поскольку в момент опускания клапана происходит выталкивание рабочей жидкости вниз от большего сечения к меньшему, что приводит к сопротивлению потока и увеличению давления, таким образом, уменьшаются ударные нагрузки о рабочую поверхность седла и клапана, что приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
Наличие кольцевого выступа, внутренняя поверхность которого является конической рабочей поверхностью седла с наклоном к продольной оси под первым углом, позволяет надежно центрировать тарельчатый клапан без значительного увеличения сил трения при его отрыве и обеспечить плавную посадку тарельчатого клапана на седло, поскольку эластомерный уплотнитель постепенно с увеличивающимся усилием сжимается от периферии к центру, уменьшая скорость клапана, следовательно, уменьшаются ударные нагрузки действующие на рабочую поверхность седла, что приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
Эластомерное уплотнение зафиксировано в кольцевой канавке, ограниченной верхней и нижней горизонтальными полками, обеспечивая равномерное распределение усилий в самом эластомерном уплотнении, что приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
Тарельчатый клапан в верхней своей части подпружинен конической пружиной, установленной в выступах крышки и клапана, предотвращающих смещение или отклонение пружины, которая служит для закрывания и более надежного центрирования тарельчатого клапана, что позволяет уменьшить износ направляющих ножек крестовины и обеспечить более равномерную посадку уплотнения клапана на седло, повышая срок службы периферийного эластомерного уплотнения, следовательно, приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
Клапан и седло могут быть выполнены из заготовки проката, поковки, вакуумного литья под давлением и литья под давлением из стали с содержанием хрома Cr от 0,4 массовых % до 1,65 массовых % и никеля Ni от 0,3 массовых % до 4,4 массовых % с последующей термообработкой, с особыми техническими требованиями предъявляемых к микроструктуре упрочняемого поверхностного слоя, увеличивая стойкость к ударным нагрузкам, что приводит к повышению ресурса и надежности работы клапанного узла.
Все конструктивные элементы заявленного клапанного узла находятся в причинно-следственной связи с указанным техническим результатом, следовательно, являются существенными признаками полезной модели.
Таким образом, заявленный клапанный узел для насоса позволяет повысить ресурс и надежность работы клапанного узла.
Заявленный клапанный узел для насоса иллюстрируется фигурами.
Прилагаемые чертежи демонстрируют отдельные варианты выполнения клапанного узла насоса. Специалисту в данной области техники понятно, что клапанный узел может иметь и другие варианты воплощения.
Фиг. 1 - поперечный разрез клапанного узла.
Фиг. 2 - вид в разрезе, выполненный на линии А-А.
Клапанный узел насоса установлен в корпусе корпус (1) и включает седло (5), тарельчатый клапан (13) с эластомерным уплотнением и коническую пружину (17).
Корпус (1) снабжен съемной крышкой (2), закрывающей цилиндрическую полость (3), сформированную внутри корпуса (1). Конические боковые стенки (4) корпуса (1) образуют канал для поступления рабочей среды. Боковые стенки (4) корпуса контактируют с седлом (5), также имеющим коническую наружную поверхность (6).
На наружной поверхности (6) седла (5) выполнена кольцевая канавка (7), в которой установлено уплотнение (8), плотно контактирующее с боковой стенкой (4) корпуса. В верхней части седла (5) выполнен кольцевой выступ (9), внутренняя поверхность (20) которого является конической рабочей поверхностью седла, выполненной с наклоном к продольной оси под первым углом, в частности, под углом 25-85°.
Седло имеет осевой канал с направляющей цилиндрической поверхностью, на внутренней поверхности (10) которого выполнены фасонная поверхность, в виде радиусного скругления RR относительно продольной оси, и коническая поверхность, выполненная с наклоном под вторым углом к продольной оси.
Тарельчатый клапан (13) снабжен периферийным эластомерным уплотнением (14), зафиксированным в кольцевой канавке клапана (13) и ограниченным верхней (25) и нижней (26) горизонтальными полками, и винтовой крестовиной (15), расположенной в осевом канале седла (5). Рабочая поверхность эластомерного уплотнения выполнена со скруглением в направлении конической рабочей поверхности седла и в поперечном сечении имеет радиус (R), например, в диапазоне от 4 до 25 мм. Винтовая крестовина (15) выполнена с ножками (28), внешние поверхности (30) которых обеспечивают центрирование клапана относительно седла. На внутренней поверхности каждой ножки (28) выполнены лопасти (29).
Между крышкой (2) и верхней поверхностью (22) клапана (13), расположенная коническая пружина (17), верхний конец которой упирается в поверхность выступа (16), выполненного на крышке, а нижний - в поверхность выступа (23), выполненного на верхней поверхности (22) тарельчатого клапана (13).
Отношение наружного диаметра D кольцевого выступа к диаметру d осевого канала седла составляет 1,4-2,0. Указанное соотношение является оптимальными с точки зрения долговечности и получено в результате многочисленных испытаний клапанного узла.
Работа узла осуществляется следующим образом.
Во время работы клапанного узла, когда давление рабочей среды в канале (11) превышает давление среды под клапаном (13) в полости (3), клапан (13) с уплотнением (14) отрывается от седла (5) потоком жидкости и перемещается вверх, преодолевая силу пружины сжатия (17). Перемещение рабочей среды по каналу (10) вверх придает крестовине (15) вращение, за счет выполнения лопастей (29) на нижней поверхности ножек (28). Затем рабочая среда перемещается вверх через канал (11) в полость (3) и выходит из выпускного отверстия (12). Когда дифференцированное давление, действующее на клапан (13), становится больше на верхней стороне клапана, то он перемещается вниз на седло (5) в закрытое положение и предотвращает обратный поток рабочей среды из полости (3) в канал (11). Продольное перемещение клапана ограничивается выступами (16), (18), выполненными на крышке (2) и на верхней части клапана (13).