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. описание изобретения к а. с. СССР №1368482, МПК F 04 В 15/00 от 03.02.86 г.).
Недостатками известного насоса является значительная трудоемкость обслуживания уплотнительных элементов клапанов, недостаточная надежность герметизации клапанов.
Известен насос, принятый за прототип, 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 F 04 В 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.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение герметичности клапанов при одновременном снижении трудоемкости их обслуживания.
Решение технической задачи достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с нагнетательным коллектором и всасывающей полостью и приводом, в котором выполнено как минимум одно отверстие для размещения цилиндра, выполненного в виде стакана с центральным отверстием в донной части и разобщения нагнетательного коллектора от всасывающей полости и атмосферы, нагнетательный клапан и седло установлены 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 полости со всасывающей полостью, при этом с оборотной стороны поршня в штоке выполнен, ответно центральному отверстию в донной части цилиндра, бурт, нагнетательный и всасывающий клапаны снабжены уплотнительными элементами, согласно техническому решению седло клапанов выполнено разъемным и включает установленные соосно с возможностью взаимодействия друг с другом верхнее, среднее и нижнее кольца, в среднем кольце с образованием буртов выполнены открытые кольцевые углубления с установленными в них верхним и нижним кольцами с образованием кольцевых канавок между буртом и поверхностью колец, ширина основания канавок больше ширины проема канавок на входе, при этом седло снабжено уплотнительными элементами, ответно выполненными кольцевым канавкам.
На поверхности верхнего бурта и нижнего кольца, ответно уплотняемым поверхностям нагнетательного и всасывающего клапанов, выполнены опорные кольцевые выступы, имеющие возможность взаимодействовать с клапанами.
Кольцевая канавка выполнена в виде трапеции.
В верхнем и нижнем кольцах со стороны буртов и среднего кольца выполнены кольцевые углубления, а уплотнительные элементы снабжены кольцевым выступом, ответно выполненным углублениям.
Седло снабжено дополнительными кольцами из упругого элемента, установленными между кольцами.
В кольцах выполнены как минимум два соосные осевые отверстия, расположенные с одинаковым радиальным шагом относительно друг друга, при этом в верхнем кольце выполнено глухое резьбовое отверстие, а в отверстия установлены ответно выполненные стяжные винты со стороны нижнего кольца.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид гидравлической части насоса (продольный разрез одного цилиндра);
на фиг. 2 - фрагменты клапанов с седлом;
на фиг. 3 и 4 - варианты исполнения клапанного узла насоса;
на фиг. 5 - вариант исполнения седла с упругими прокладками между кольцами;
на фиг. 6 - вариант исполнения седла со стянутыми между собой кольцами.
Насос содержит корпус 1 (фиг. 1) с нагнетательным коллектором 2 и всасывающей полостью 3, привод 4. В корпусе 1 выполнено как минимум одно отверстие 5 для размещения как минимум одного цилиндра 6, закрепленного в отверстии 5 с возможностью его фиксации посредством разъемного соединения, например, гайки 7 и разобщения нагнетательного коллектора 2 от всасывающей полости 3 и атмосферы. Отверстие 5 выполнено сопрягаемым с поверхностью цилиндра 6, например ступенчатым с упором 8.
Внутри цилиндра 6 с образованием рабочей 9 и штоковой 10 полостей размещен поршень 11, который связан со штоком 12, снабженным буртом 13 и пропущенным через центральное отверстие 14 в донной части цилиндра 6. Шток 12 цилиндра 6 закреплен на приводе 4 посредством быстросъемного фиксатора 16.
Рабочая полость 9 цилиндра 6 сообщена с нагнетательным коллектором 2 через нагнетательный клапан 17.
Цилиндр 6 снабжен общим седлом 18 нагнетательного клапана 17 и всасывающего клапана 19, выполненного в виде охватывающей поршень 11 втулки с горловиной, расположенной в рабочей полости 9 с образованием кольцевого канала 20 между горловиной втулки 19 и цилиндром 6.
Седло 18 клапанов выполнено разъемным и включает установленные соосно с возможностью взаимодействия друг с другом верхнее 21 (фиг. 2), среднее 22 и нижнее 23 кольца. В среднем кольце 22 с образованием буртов 24 и 25 выполнены открытые кольцевые углубления (на фиг. не указаны) с установленными в них верхнего 21 и нижнего 23 кольцами с образованием кольцевых канавок (на фиг. не указаны) между буртами 24, 25 и поверхностью колец 21 и 23. Ширина основания «В» канавок больше ширины проема «в» канавок на входе.
Седло 18 снабжено уплотнительными элементами 26 и 27 нагнетательного 17 и всасывающего 19 клапанов, ответно выполненными кольцевым канавкам. Опорная часть уплотнительных элементов 26 и 27 может быть выполнена в форме усеченного конуса в сечении или снабжаться цилиндрическим выступом (на фиг. не указан). При этом в смежном кольце 23 (фиг. 2), ответно выступу, может быть выполнено цилиндрическое углубление.
Верхний бурт 24 выполнен с конической опорной поверхностью (на фиг. не указана), ответно нагнетательному клапану 17. Нижнее кольцо 23 выполнено, например, с плоской опорной поверхностью (на фиг. не указана) ответно посадочной поверхности всасывающего клапана 19.
Всасывающий клапан 19 установлен подвижно относительно цилиндра 6 и поршня 11 и имеет привод возврата к седлу 18 в виде полости управления, представляющую собой штоковую полость 10.
Нагнетательный клапан 17 и седло 18 установлены внутри цилиндра 6 перед крышкой 28 (фиг. 1), закрепленной в последнем посредством разъемного соединения, например гайки 29. Между седлом 18 и крышкой 28 установлен, например, распорный элемент 30 для фиксации седла 18, выполненный, например, в виде втулки со сквозными радиальными отверстиями (условно не указаны). Нагнетательный клапан 17 снабжен, например, пружиной 31.
В цилиндре 6 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 32 для сообщения нагнетательной полости 33 с нагнетательным коллектором 2 и продольные сквозные пазы 34 в передней части цилиндра 6, ближе к горловине втулки, для сообщения рабочей полости 9 со всасывающей полостью 3. В донной части цилиндра 6 выполнено как минимум одно сквозное радиальное отверстие 35 с возможностью сообщения штоковой полости 10 со всасывающей полостью 3.
Верхнее кольцо 21 седла 18 (фиг. 2) снабжено, например, уплотнительным кольцом 36.
Нижнее кольцо 23 (фиг. 3 и 4) седла 18 и всасывающий клапан 19 могут быть выполнены с ответно выполненными друг другу коническими опорными поверхностями.
Седло 18 (фиг. 5) может быть снабжено дополнительными кольцами 37 и 38 из упругого материала, установленными между кольцами 21 и 22, 22 и 23.
В кольцах 21, 22 и 23 (фиг. 6) могут быть выполнены как минимум два соосные осевые отверстия (на фиг. не указаны), расположенные с одинаковым радиальным шагом относительно друг друга, при этом в верхнем кольце выполнено глухое резьбовое отверстие, а в отверстия установлены ответно выполненные стяжные винты 39 со стороны нижнего кольца. В этом случае седло 18 представляет сборку.
Монтаж насоса осуществляют следующим образом.
Сборку цилиндра 6 в виде отдельного блока в цеховых условиях. Сначала поршень 11 соединяют со штоком 12, на поршень 11 насаживают втулку всасывающего клапана 19 и устанавливают в стакане цилиндра 6 до упора, размещая шток 12 в отверстии 14 донной части. Затем в цилиндре 6 размещают седло 18, нагнетательный клапан 17 с пружиной 31, распорную втулку 30, крышку 28, и закрепляют гайкой 29. Разъемное седло 18 устанавливается между опорой 8 корпуса и распорной втулкой 30, что обеспечивает жесткое закрепление колец 21, 22, 23 и уплотнительных элементов 26, 27 между собой.
Готовый блок цилиндра 6 размещают в отверстии 5 корпуса 1 насоса до упора 8, частично перекрывая нагнетательный коллектор 2 и нагнетательную полость 33 цилиндром 6. Соединяют шток 11 и привод 4 насоса, например, с шатуном (условно не указан), посредством быстросъемного фиксатора 16. Цилиндр 6 закрепляют в отверстии 5 корпуса 1 насоса разъемным соединением, например гайкой 7.
Демонтаж блока цилиндра 6 осуществляют в обратном порядке.
Насос работает следующим образом.
Пусть поршень 11 (фиг. 1) находится в правом крайнем положении. При этом нагнетательный клапан 17 чуть приподнят над седлом 18, а точнее над буртом 24 (фиг. 2-5) кольца 22 из-за запаздывания закрытия. Давление в рабочей полости равно давлению нагнетания.
При ходе поршня 11 (фиг. 1) вправо давление в полости 9 снижается, клапан 17 опускается на седло 18, т.е. на бурт 24 и уплотнительный элемент 26. Осевое усилие, действующее на клапан 17 от перепада давления, воспринимается буртом 26 кольца 22, а щель между сопрягаемыми поверхностями герметизируется уплотнительным элементом 26. Жидкость из штоковой полости 10 управления через отверстие 14 перетекает во всасывающую полость 3 насоса. Всасывающий клапан 19 под действием сил трения и силы, определяемой перепадом давлений в рабочей полости 9 и во всасывающей полости 3, перемещается вправо.
При перемещении всасывающего клапана 19 вправо из всасывающей полости 3 через продольные пазы 34 цилиндра 6 и кольцевой канал 20 жидкость перетекает в рабочую полость 9. Объем поступающей при этом жидкости из всасывающей магистрали (на фиг. не показана) меньше объема рабочей полости 9 и равен разности объемов рабочей полости 9 и штоковой полости 10 управления, Поэтому давление во всасывающей полости 3 изменяется незначительно.
При дальнейшем перемещении всасывающий клапан 19 перекрывает боковое отверстие 35 в цилиндре 6, что приводит к возрастанию давления в полости 10 управления и замедлению перемещения всасывающего клапана 19.
Всасывающий клапан 19 при подходе к крайнему правому положению взаимодействует с днищем цилиндра 6 и останавливается.
При подходе поршня 11 к правому крайнему положению передняя часть бурта 13 штока 12 перекрывает отверстие 14 в днище цилиндра 6, что вызывает повышение давления в полости 10 управления. При движении поршня 11 давление в полости 10 еще поднимается и под действием создавшегося перепада давления происходит перемещение всасывающего клапана 19 влево, в сторону седла 18.
В конце хода всасывания всасывающий клапан 19 закрыт, т.е. клапан 19 взаимодействует с кольцом 23 и уплотнительным элементом 27. При этом штоковая полость 10 управления сообщается со всасывающей полостью через каналы 14 и 35.
В начале перемещения поршня 11 влево, в сторону рабочей полости 9, всасывающий клапан 19 дополнительно прижимается к кольцу 23 возникающими между поршнем 11 и всасывающим клапаном 19 силами трения и силой от перепада давления. При этом давление в штоковой полости 10 снижается и жидкость из всасывающей полости 3 через каналы 14 и 35 цилиндра 6 перетекает в полость 10.
С ростом давления в рабочей полости 9 нагнетательный клапан 17 открывается и жидкость из рабочей полости 9 поступает в нагнетательную полость 33.
При дальнейшем перемещении поршня 11 влево бурт 13 отходит от отверстия 14, что приводит к увеличению давления в полости 10 управления.
При оснащении седла 18 дополнительными кольцами 37 и 38 (фиг. 5), выполненными из упругого материала и установленными между кольцами 21, 22 и 22, 23, при посадке клапанов 17 и 19 практически исключается стук. Кроме того, при несоосном расположении клапанов 17 и 19 кольца 37 и 38 из упругого материала компенсируют несоосность клапанов 17 и 19.
Стяжка колец 21, 22 и 23 винтами 39 обеспечивает монтаж и демонтаж седла 18 в собранном виде.
Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно упрощает обслуживание седла 18 клапанов, позволяет достаточно быстро заменить изношенные уплотнительные элементы. Прижатие седла 18 между упором 8 корпуса 1 и втулкой 30 при монтаже цилиндра.