ПОРШНЕВОЙ НАСОС С ГАЗОСЕПАРАТОРОМ
PISTON PUMP WITH GAS SEPARATOR

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к поршневым насосам с ручным или иным приводом поршня.
Известны поршневые или плунжерные насосы для нагнетания жидкостей с высоким (до 70 МПа) давлением, широко применяемые в гидропрессах, гидроинструментах, дозировочных системах, а также в нефтедобыче, где они перекачивают газожидкостную смесь.
Они содержат корпус, внутри которого с образованием рабочей  камеры установлен поршень, приводимый в возвратно-поступательное движение от ручного или иного привода. Рабочая камера подключена к всасывающей и нагнетательной линиям через одноименные клапаны (см., например, патент РФ 2384736).
Недостатком таких насосов является потеря работоспособности при попадании во всасывающую линию воздуха, который засасывается вместо жидкости при выходе конца этой линии из-под уровня жидкости, например, при ее недостатке или покачивании насоса. Низкий модуль упругости воздуха приводит к потере всасывающей способности, если давление жидкости в нагнетательной линии превышает давление, развиваемое насосом в режиме компрессора (обычно не превышающее 1 МПа), и воздух не удаляется из рабочей камеры.
Как видно из диаграммы изменения давления воздуха в рабочей камере (кривая 1 на фиг.1), в конце хода всасывание давление снижается лишь до атмосферного, перепад давления на всасывающем клапане отсутствует, и он не открывается. При попадании во всасывающую линию даже небольшого количества воздуха, например при подсосе его через неплотность в стыках труб на этой линии, подача насоса также может значительно снизиться, если насос не имеет устройства для его выпуска.
Для восстановления всасывающей способности насоса необходимо удаление воздуха из рабочей камеры на ходе нагнетания, которое обычно достигается подключением верхней части рабочей камеры через вентиль с ручным приводом к газоотводному каналу. Этот вентиль должен открываться только во время хода нагнетания, что при ручном управлении осложняет работу оператора (см., например, рис.1 на стр.22 журнала «Техсовет» №3 за 2012 г. в статье «Особенности конструкции дозировочных насосов»).
В случае необходимости автоматического удаления газа из рабочей камеры используют газосепараторы с поплавковым клапаном, реагирующим на разность удельного веса газа и жидкости. Примером такого поршневого насоса может служить известный насос, который содержит корпус, в котором с образованием рабочей камеры установлен поршень с поршневым кольцом или щелевым уплотнением. Рабочая камера подключена к всасывающей и нагнетательной линиям через одноименные клапаны и соединена своей верхней частью с газосепаратором с поплавковым клапаном блокировки выхода жидкости в газоотводный канал (патент РФ 2440513, прототип).
Недостатки прототипа состоят в следующем:
1. Неработоспособность насоса после попадания в его рабочую камеру газа, если газоотводный канал газосепаратора не выходит под уровень жидкости или имеет объем, соизмеримый с объемом рабочей камеры. Это связано с невозможностью удаления газа из рабочей камеры из-за отсутствия в газосепараторе ограничения обратного потока газа из газоотводного канала в рабочую камеру при ходе всасывания.
2. Снижение подачи насоса при его работе на жидкости из-за запаздывания закрытия поплавкового клапана газосепаратора на ходе нагнетания вследствие малости архимедовых сил плавучести, увлекающих его к седлу.
3. Снижение подачи насоса и медленное освобождение от газа вследствие большого мертвого (не вытесняемого поршнем) объема рабочей камеры, вызванного наличием в ней длинных каналов подвода газа к газосепаратору, и большого объема полости газосепаратора.
4. Большие габариты и сложность изготовления газосепаратора с поплавковым клапаном, работоспособного при высоких давлениях жидкости.
Технической задачей изобретения является создание эффективного, быстродействующего простого и компактного поршневого насоса с газосепаратором.
Технический результат состоит в стабилизации расхода рабочей жидкости, подаваемой насосом в нагнетательную линию с высоким давлением, в случае попадания в рабочую камеру насоса газа из всасывающей линии, обеспечиваемой за счет быстрого и надежного возобновления подачи после вытеснения указанного газа без существенного снижения подачи жидкости, вызванного наличием газосепаратора.
Сущность изобретения состоит в том, что в поршневом насосе, содержащем корпус, внутри которого с образованием рабочей камеры установлен поршень с поршневым кольцом или щелевым уплотнением, рабочая камера подключена к всасывающей и нагнетательной линиям через одноименные клапаны и соединена своей верхней частью с газосепаратором с газоотводным каналом, согласно изобретению газосепаратор выполнен в виде малорасходного дросселя.
В частных случаях реализации:
В газосепаратор перед или за малорасходным дросселем может быть установлен нормально закрытый обратный клапан, вход которого обращен к рабочей камере.
Малорасходный дроссель может быть образован зазором между затвором обратного клапана и корпусом.
Обратный клапан может быть снабжен дополнительным седлом для его затвора, расположенным на выходе газа за малорасходный дроссель.
В случае расположения поршня над рабочей камерой малорасходный дроссель может быть выполнен в виде щелевого уплотнения поршня или в виде радиальных рисок на противоположном от рабочей камеры торце поверхности поршневого кольца поршня.
Малорасходный дроссель выполняется предпочтительно с параметрами, выбранными из условия обеспечения расхода жидкости при максимальном давлении нагнетания насоса не более 1% от подачи насоса.
Такая конструкция поршневого насоса с газосепаратором в виде малорасходного дросселя, совмещенного с обратным клапаном с дополнительным седлом, образующим с затвором клапан блокировки выхода жидкости в газоотводный канал, исключает вышеперечисленные недостатки прототипа, так как минимизирует мертвый объем рабочей камеры, исключает подсос в нее газа из газоотводного канала, надежно и быстро блокирует выход жидкости в газоотводный канал, используя многотысячную разницу расходов газа и жидкости через малорасходный дроссель благодаря разнице в их вязкости и большой силе перепада давления на малорасходном дросселе вокруг затвора клапана блокировки. Наибольшая простота и компактность устройства достигается при совмещении газосепаратора с поршневым кольцом или щелевым уплотнением поршня.
На фиг.1 изображена диаграмма зависимости давления газа в рабочей камере поршневого насоса с мертвым объемом, равным ОД от объема рабочей камеры, при ходах нагнетания и всасывания, при наличии высокого (более 1 МПа) давления жидкости в нагнетательной линии:
кривая 1 - без газосепаратора;
кривая 2 - с газосепаратором в виде малорасходного дросселя.
На фиг.2 изображена конструктивная схема поршневого насоса с газосепаратором в виде малорасходного дросселя.
На фиг.3 - конструктивная схема газосепаратора с малорасходным дросселем и обратным клапаном.
На фиг.4 - конструктивная схема газосепаратора с малорасходным дросселем в виде зазора между корпусом и затвором обратного клапана, снабженного дополнительным седлом для его затвора, расположенного на выходе газа за малорасходный дроссель.
На фиг.5 - конструктивная схема газосепаратора с малорасходным дросселем в виде щелевого уплотнения поршня, расположенного над рабочей камерой.
На фиг.6 - конструктивная схема газосепаратора с малорасходным дросселем в виде радиальных рисок на противоположном от рабочей камеры торце поршневого кольца поршня, расположенного над рабочей камерой.
Поршневой насос содержит корпус 1, внутри которого с образованием рабочей камеры 2 установлен поршень 3 с поршневым кольцом 4 или щелевым уплотнением 5. Рабочая камера подключена к всасывающей 6 и нагнетательной 7 линиям через одноименные клапаны 8 и 9. К верхней части 10 рабочей камеры подключен газосепаратор 11 с газоотводным каналом 12. Газосепаратор выполнен в виде малорасходного дросселя 13. В газосепараторе перед или за малорасходным дросселем может устанавливаться нормально закрытый обратный клапан 14, вход 15 которого обращен к рабочей камере. При этом малорасходный дроссель может образовываться зазором 16 между затвором 17 этого клапана и корпусом. При этом обратный клапан может снабжаться дополнительным седлом 18 для его затвора с образованием клапана блокировки выхода жидкости в газоотводный канал. При расположении поршня над рабочей камерой дроссель 13 может образовываться щелевым уплотнением 5 или радиальными рисками 19 на противоположном от рабочей камеры торце 20 поршневого кольца 4. Второй торец 21 поршневого кольца, обращенный к рабочей камере, выполняется гладким. Отвод газа из рабочей камеры в этом случае происходит в пространство 22 за поршнем.
Поршневой насос с газосепаратором фиг.2 работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня от ручного или иного привода (на чертеже не показан) рабочая камера изменяет свой объем от максимального до минимального (на ходе нагнетания) и от минимального до максимального (на ходе всасывания). При этом жидкость из линии всасывания через всасывающий клапан втягивается в рабочую камеру благодаря возникновению в ней разрежения (давление ниже атмосферного), а затем при ходе нагнетания вытесняется через нагнетательный клапан в нагнетательную линию. В случае попадания во всасывающую линию, а затем в рабочую камеру газа насос не способен его вытеснить в нагнетательную линию, если в ней давление выше примерно 1 МПа, и его вытеснение осуществляется через малорасходный дроссель газосепаратора в газоотводный канал с низким давлением, так как он соединен с атмосферой или с емкостью, из которой откачивается жидкость. Как видно из графика (кривая 2) на фиг.1, частичное вытеснение газа из рабочей камеры приводит к снижению его максимального давления и образованию на ходе всасывания зоны разрежения, необходимой для открытия всасывающего клапана и подсоса в рабочую камеру новой порции газа или жидкости. Обратный поток газа через малорасходный дроссель при ходе всасывания ничтожно мал по сравнению с прямым потоком при нагнетании, так как разрежение в рабочей камере и перепад давления на дросселе при всасывании ограничены открытием всасывающего клапана и в десятки раз ниже, чем при нагнетании, а расход газа через дроссель примерно пропорционален перепаду давления на нем. Соотношение прямого и обратного потоков газа через малорасходный дроссель наглядно видно из графика фиг.1, где под кривой 2 заштрихованы области, площади которых пропорциональны расходам газа при положительном и отрицательном перепадах давления на малорасходном дросселе в процессе работы насоса.
Верхнее расположение газосепаратора обеспечивает выход газа и при частичном заполнении рабочей камеры жидкостью.
После заполнения рабочей камеры жидкостью при ходе нагнетания возможна утечка ее через малорасходный дроссель, однако учитывая, что вязкость жидкости в тысячи раз больше вязкости газа, такая утечка не существенна, если дроссель выполнен с расходом до 1% от подачи насоса.
При всасывании через малорасходный дроссель, если его газоотводный канал не заполнен жидкостью, возможно незначительное подсасывание газа в рабочую камеру, снижающее подачу насоса и скорость освобождения его от газа. Для устранения этого недостатка перед или за дросселем в газогенераторе может устанавливаться обратный клапан (фиг.3), исключающий такой подсос. Если затвор этого клапана со стенками корпуса образует зазоры, работающие в качестве дросселя, то такой дроссель с подвижной стенкой менее чувствителен к засорениям, так как он самоочищается в процессе движения затвора (фиг.4).
Для снижения утечек жидкости через дроссель при ходе нагнетания затвор обратного клапана может снабжаться вторым седлом, подключенным к газоотводному каналу (фиг.4). В этом случае протечки жидкости через газосепаратор будут быстро блокироваться после смещения затвора от одного седла к другому, в то время как газ благодаря малой вязкости будет проходить через газосепаратор без переброски затвора на второе седло и блокировки его канала.
При расположении поршня над рабочей камерой и допустимости отвода газа в пространство за поршень газосепаратор может быть совмещен с уплотнительными элементами поршня. При этом щелевое уплотнение поршня может выполнять функцию малорасходного дросселя. Газ из верхней части рабочей камеры уходит через щель между поршнем и корпусом, а жидкость как обычно задерживается из-за ее значительной вязкости и малой величины щели.
Поршневое кольцо может эффективно работать в качестве газосепаратора, если на противоположном от рабочей камеры его торце выполнены радиальные риски, образующие дроссельные каналы в контакте с ответным торцом канавки на поршне. При ходе нагнетания поршневое кольцо этим торцом прижато к поршню и газ из рабочей камеры подходит к поршневому кольцу и под него и далее по радиальным рискам и зазорам между поршнем и корпусом уходит в пространство за поршнем. Утечка жидкости по радиальным рискам минимальна и снижается с ростом давления за счет их уменьшения от упругих деформаций торца поршневого кольца.
При ходе всасывания поршневое кольцо герметично прижимается силами трения своим гладким торцом к противоположному торцу канавки поршня и исключает всасывание газа внутрь рабочей камеры.
Таким образом, заявленный поршневой насос с газогенератором решает проблему стабилизации подачи, т.е. быстрого и надежного возобновления перекачки жидкости в нагнетательную линию с высоким давлением после попадания в рабочую камеру насоса газа или воздуха из всасывающей линии при обеспечении простоты и компактности конструкции и практическом отсутствии снижения подачи насоса и утечек жидкости через газосепаратор, а также исключает зависимость работоспособности поршневого насоса от объема и наличия жидкости в газоотводном канале.