ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ПОРШЕНЬ ДЛЯ ЖИДКОСТНОГО НАСОСА ИЛИ ЖИДКОСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
CYLINDRICAL PISTON FOR FLUID PUMP OR FLUID ENGINE

Настоящее изобретение имеет отношение к конструкции цилиндрического поршня, которая находит особое применение в водяных насосах высокого давления.
Особой областью применения насосов такого рода является перемещение под давлением воды, содержащей посторонние частицы, а в особенности абразивные гранулированные материалы. Для этого требуются турбины с высокими скоростями, имеющие рабочие давления в диапазоне от нескольких сот до нескольких тысяч бар. В этом случае особую важность имеют коэффициент передачи энергии и коэффициент объемной производительности.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание насосов и соответствующих жидкостных двигателей, которые обладают высокой эффективностью и высокой долговечностью.
Поршни с идущей по оси трубчатой диафрагмой, снабженные внутренней рабочей камерой, являются основой для создания прочной конструкции с высокой износостойкостью, позволяющей работать с абразивными флюидами. Предположительно, в таком устройстве по конструктивным причинам обычно необходимо иметь относительно большой объем мертвого пространства, что отрицательно влияет на коэффициент объемной производительности. Именно эта проблема решена за счет настоящего изобретения, а именно при помощи вытеснителя объема мертвого пространства. В итоге настоящее изобретение позволяет получить оптимизированный тип конструкции.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 частично показан осевой разрез насоса высокого давления с рабочим поршнем, выполненным как поршень с идущей по оси трубчатой диафрагмой, с которым соединен муфтой вытеснитель объема мертвого пространства, который проникает в рабочую камеру и участвует в колебательном приводном движении.
На фиг.2 частично показан осевой разрез, аналогичный показанному на фиг.1, также с рабочим поршнем, выполненным как поршень с идущей по оси трубчатой диафрагмой, а также с вытеснителем объема мертвого пространства, который, однако, закреплен на корпусе насоса и взаимодействует (с поршнем) за счет колебательного приводного перемещения рабочего поршня относительно него во внутренней рабочей камере поршня с идущей по оси трубчатой диафрагмой.
На фиг.3 частично показан осевой разрез, аналогичный показанному на фиг.2, также с рабочим поршнем, выполненным как поршень с идущей по оси трубчатой диафрагмой с внутренней рабочей камерой, а также с закрепленным на корпусе вытеснителем объема мертвого пространства, но с другим трактом рабочей жидкости.
На фиг.4 частично показан осевой разрез, аналогичный показанному на фиг.3, также с рабочим поршнем, выполненным как поршень с идущей по оси трубчатой диафрагмой с внутренней рабочей камерой, а также с закрепленным на корпусе вытеснителем объема мертвого пространства, но с другим трактом рабочей жидкости и с другим расположением клапанов, что все вместе приводит к дополнительному уменьшению объема мертвого пространства.
На фиг.5 показана временная диаграмма питающего давления р (бар) для рабочего поршня объемного насоса в течение времени t (мс), а именно для конструкции без вытеснителя объема мертвого пространства.
На фиг.6 показана временная диаграмма, аналогичная показанной на фиг.5, но для конструкции с вытеснителем объема мертвого пространства. Эта диаграмма в основном является правомерной не только для подвижных соединенных муфтой с рабочим поршнем вытеснителей объема мертвого пространства (см. фиг.1), но также и для закрепленных на корпусе статических вытеснителей объема мертвого пространства, которые взаимодействуют за счет перемещения (введения) рабочей камеры в них (см. фиг.2-4). Это особенно относится к случаю применения поршней с идущей по оси трубчатой диафрагмой.
На фиг.7 показана конструкция клапанов.
В варианте реализации, показанном на фиг.1, рабочий поршень снабжен идущей по оси трубчатой диафрагмой (поршень показан в положении верхней мертвой точки и в дальнейшем изложении имеет сокращенное обозначение ASK), соединенной муфтой с его нижним концом, причем здесь только направленная вниз стрелка схематично отображает устройство AVO приведения в движение, которое работает колебательно. Верхний конец поршня ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой закреплен на корпусе и охватывает впускной клапан EV, который выполнен как не обратный клапан, запитываемый через впускные каналы ЕК. Идущая вниз полая цилиндрическая секция Z поршня ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой выполнена с возможностью осевого скольжения в расточке GB корпуса с использованием смазки (не показана). Во внутреннем пространстве поршня ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой образована колебательная (пульсирующая) рабочая камера AR, из которой коаксиальный подъемный канал FK ведет к выпускному клапану AV, который также выполнен как не обратный клапан, и к выпускному каналу АК.
С поршнем ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой соединен на одной стороне рабочей камеры AR в основном цилиндрический вытеснитель ТК1 объема мертвого пространства, который здесь показан в положении верхней мертвой точки и который позволяет существенно уменьшить рабочий объем мертвого пространства.
Для определения рабочего режима этой конструкции следует обратиться к рассмотрению фиг.5 и 6.
На временной диаграмме, показанной на фиг.5, видна задержка нарастания питающего давления р для рабочего поршня объемного насоса в случае конструкции без вытеснителя объема мертвого пространства. Соответственно задерживается снижение давления в конце цикла нагнетания. То и другое приводит к существенному уменьшению нагнетаемого объема, связанного с ходом поршня, то есть к снижению коэффициента объемной производительности. Причиной этого является сжимаемость рабочей жидкости, которая содержится в объеме мертвого пространства.
С другой стороны, вытеснитель ТК1 объема мертвого пространства, проникающий в соответствии с фиг.1 в рабочую камеру AR, вызывает как более крутое нарастание давления, так и более крутое снижение давления, что в совокупности существенно улучшает коэффициент объемной производительности.
В варианте, показанном на фиг.2, использован закрепленный на корпусе вытеснитель ТК2а объема мертвого пространства, который однако проникает в рабочую камеру AR и позволяет получить аналогичное улучшение коэффициента объемной производительности за счет расположения рабочей камеры AR внутри поршня ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой и, следовательно, за счет созданного приводом насоса относительного перемещения между поршнем ASK с идущей по оси трубчатой диафрагмой и вытеснителем ТК2а объема мертвого пространства. В этом случае получают существенные преимущества за счет уменьшения движущейся массы, что вызвано закреплением на корпусе вытеснителя ТК2а объема мертвого пространства.
Впускной клапан EV и выпускной клапан AV выполнены аналогично варианту, показанному на фиг.1, однако соединение между рабочей камерой AR и выпускным клапаном AV образовано при помощи более длинного коаксиального канала КОК внутри вытеснителя ТК2а объема мертвого пространства и внутри впускного клапана EV.
Особенно предпочтительным в этом варианте является то, что вытеснитель ТК2а имеет внутренний сквозной поток, а внешний поток циркуляции рабочей жидкости имеет перераспределение в области отверстия или в концевой области вытеснителя ТК2а объема мертвого пространства. За счет этого становится возможной, среди прочего, сверхинтенсивная продувка рабочей камеры и очистка клапанов от загрязнений и остатков, а также ослабление сжатия воздуха после длительного времени простоя.
В варианте, показанном на фиг.3, также предусмотрен закрепленный на корпусе вытеснитель ТК2b объема мертвого пространства, имеющий динамические преимущества. Однако в этом случае одновременно достигнуто максимальное вытеснение объема мертвого пространства за счет уменьшения относительно длинного коаксиального канала, соединенного с рабочей камерой AR. Выпуск флюида из рабочей камеры AR происходит через сквозные отверстия ВО, которые расположены непосредственно под впускным клапаном EV, а также через короткий и поэтому безопасный продольный канал LK.
В варианте, показанном на фиг.4, также предусмотрен закрепленный на корпусе вытеснитель ТК2с объема мертвого пространства, имеющий динамические преимущества. Однако, более того, в этом случае обеспечено оптимальное вытеснение объема мертвого пространства за счет независимого от сжатия построения выпускного клапана AV на конце стороны рабочей камеры выпускного коаксиального канала АКОК.
Кроме того, следует принимать во внимание конструкцию клапанов, показанную на фиг.7, которая особенно относится к выпускным клапанам AV. В этом случае, корпус VK клапана, образованный как частично сферическая оболочка, установлен с возможностью поворота вокруг центра сферы относительно имеющего дополняющую форму седла клапана. Однако одновременно требуется продольная направляющая, образованная при помощи поворотной направляющей SF и центрирующего элемента ZG. Последний соединен с корпусом VK клапана при помощи плотного упругого пружинного стопора SV, так что поворотная направляющая SF может быть изготовлена из легкого и демпфирующего колебания материала. Что касается упомянутой возможности поворота, то внутренняя расточка поворотной направляющей SF имеет форму тороида с соответствующим зазором для скользящей установки центрирующего элемента ZG. Оказалось, что такая конструкция имеет высокую нагрузочную способность и износостойкость.