ПОРШНЕВОЙ КРИОГЕННЫЙ НАСОС
PISTON CRYOGENIC PUMP

Изобретение относится к технике для откачивания криогенных жидкостей (сжиженных газов) из емкостей с последующим их сжатием и может найти применение в установках для заправки баллонов газом, медицинской технике, нефтяной промышленности, системах пожаротушения.
Известен криогенный насос сверхвысокого давления [US 2003080512], содержащий цилиндровую группу, в которой утечки перекачиваемой жидкости вблизи штока цилиндра предотвращаются сальниковой группой уплотнений, расположенных в корпусе цилиндра.
Кроме того, известен насос для перекачки криогенной жидкости [СН 695462], в корпусе которого расположена вставка, содержащая сальниковую группу уплотнений для герметизации поршневого штока, причем таковая группа может быть собрана во вставке вне насоса, после чего размещена в нем отдельным модулем с внутренней стороны. Недостатком предложенной конструкции является необходимость разборки всей цилиндровой группы при замене уплотнений сальниковой группы.
Известно уплотнение штока высокого давления [RU 2187728], согласно которому в зазоре между цилиндром и штоком установлены неподвижные направляющие, между которыми размещен пакет кольцевых обойм, в которых выполнены камеры, с размещенными в них уплотнительными элементами, беззазорно контактирующими со штоком, при этом как минимум первый со стороны рабочего давления жидкости уплотнительный элемент содержит непрерывную витую хаотично переплетенную прессованную проволоку из высокоэнтальпийного металла. Такое уплотнение способно работать при давлении до 800 МПа.
Известен уплотнительный узел подвижного соединения [RU 2550369], который содержит, по меньшей мере, одну пару манжетных уплотнений с соответствующими проставками, каждое из которых выполнено в виде цилиндрической втулки с продольно выступающей уплотнительной губкой с последующей подпрессовкой в осевом направлении. Манжетные уплотнения каждой пары установлены на подвижном элементе и прилегают одно к другому большими торцами, а их уплотнительные губки направлены в противоположные стороны. Каждая из проставок выполнена в виде втулки, высота которой больше высоты уплотнительной губки соответствующего манжетного уплотнения, и установлена в углублении соответствующего манжетного уплотнения, образованного уплотнительной губкой и прилегающим к ней меньшим торцом соответствующего манжетного уплотнения, при этом указанные манжетные уплотнения с соответствующими проставками размещены в расточке корпуса и поджаты в осевом направлении нажимным элементом в осевом направлении. Образующие уплотнительной губки выполнены коническими таким образом, что губка сужается в направлении от цилиндрической втулки и имеет плоский торец.
Наиболее близким к предлагаемому является известный насос 2НСГ, выпускаемый предприятием ООО «Кислородмаш» [Руководство по эксплуатации КК 2367.00.000-01 РЭ], в состав которого входит съемная сальниковая группа, содержащая уплотнения, имеющие по существу П-образную форму сечения, причем уплотнительная губка, контактирующая со штоком имеет сужение, аналогичное с описанным выше, а на конце сужения имеется фаска для более плотного контакта со штоком. Уплотнительная губка поджимается к штоку кольцом (проставкой), причем сопрягаемые поверхности кольца и уплотнения параллельны. Подробнее такое уплотнение описано в [Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию. Под ред. Н.С. Ачеркана. Изд. 2-е. Кн. 2. - 560 с. Москва: Машгиз. 1954. С. 398].
Недостатками известной конструкции являются низкий ресурс работы уплотнений из-за быстрой потери геометрической точности рабочей кромки в связи с ее износом, а также сложная форма, сказывающаяся на увеличении стоимости их изготовления и расходе материала.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение ресурса работы уплотнений и упрощение их конструкции с уменьшением расхода материалов.
Техническая задача достигается тем, что предлагается использование конструкции уплотнения, имеющей по существу Г-образную форму, причем внутренняя и внешняя поверхности уплотнительной губки параллельны друг другу, а на окончании имеется и фаска, и плоская поверхность. Кольцо, поджимающее такое уплотнение к штоку, имеет в сечении форму прямоугольника со скосом. Кроме того, кольцо может содержать выемку на периферии, в которой может быть размещен уплотнитель квадратного или круглого сечения. Сами уплотнения могут быть выполнены из прочного антифрикционного материала, способного работать в широком диапазоне температур, например из фторопластовой композиции Ф4К20, предназначенной для работы в условиях сухого трения в диапазоне температур от -250 до +260°С. Кольца между уплотнениями могут быть выполнены из латуни, например ЛС59.
На фиг. 1 изображен поршневой криогенный насос для откачивания сжиженного газа.
На фиг. 2 изображена группа уплотнений.
Поршневой криогенный насос состоит из цилиндра 1 и поршня 2 со штоком 3. По крайней мере, часть цилиндра 1 находится внутри корпуса рубашки охлаждения 4, большая часть которого, в свою очередь, находится внутри вакуумного кожуха 5. К свободному торцу корпуса рубашки охлаждения 4 подведен трубопровод подачи 6, через который осуществляется подача перекачиваемого сжиженного газа внутрь корпуса рубашки охлаждения 4 и через впускной клапан 7 в рабочую полость цилиндра 1. Трубопровод нагнетания 8 подключен с использованием выпускного клапана 9 к боковой части цилиндра 1 в области рабочей полости. Трубопровод утечек 10 подключен к боковой части корпуса рубашки охлаждения 4. В боковой части цилиндра 1 имеются отверстия 11, сообщающие его штоковую полость с рубашкой охлаждения, с клапанами 12, нормально открытыми в сторону рубашки охлаждения. В боковой части вакуумного кожуха 5 имеется отверстие для откачки воздуха, закрытое пробкой 13. Вакуумный кожух 5 может иметь светоотражающую наружную поверхность (например, хромированную) для уменьшения его нагрева. В качестве пробки 13 может быть использован вакуумметр (например, емкостный).
В цилиндр 1 установлен стакан 14, содержащий сальниковую группу, состоящую из уплотнений 15 и колец 16, установленных поочередно. Уплотнение 15 имеет основание 17 и уплотнительную губку 18, на торце которой имеется фаска 19. Наружная и внутренняя поверхности уплотнительной губки 18 являются конусами, образующие которых параллельны. Торец уплотнительной губки 18 параллелен основанию 17. Кольцо 16 имеет скос 20, образующая которого так же параллельна образующим наружной и внутренней поверхностей уплотнительной губки 18. При сопряжении уплотнения 15 и кольца 16 большая часть уплотнительной губки 18 сопрягается со скосом 20, а торцевая (меньшая) часть не контактирует с кольцом 16 без внешнего воздействия. Диаметр наружной поверхности основания 17 равен (или больше) диаметру наружной поверхности кольца 16, за счет чего при сборке сальниковой группы затягиванием гайки происходит пластическая деформация основания 17, ведущая к увеличению диаметра его внешней поверхности и, как следствие, уплотнению пространства между стаканом 14 и кольцом 16.
Под рабочей полостью цилиндра 1 подразумевается его внутренний объем, ограниченный боковыми стенками, поршнем 2 и торцевой стенкой с впускным клапаном 7.
Под штоковой полостью цилиндра 1 подразумевается его внутренний объем, ограниченный боковыми стенками, поршнем 2 и торцевой стенкой, содержащей отверстие для штока 3.
Объемы рабочей и штоковой полостей изменяются в зависимости от положения поршня 2.
Уплотнения 15 могут быть выполнены из прочного антифрикционного материала, способного работать в широком диапазоне температур, например из фторопластовой композиции Ф4К20, предназначенной для работы в условиях сухого трения в диапазоне температур от -250 до +260°С. Кольца 16 между уплотнениями могут быть выполнены из латуни, например ЛС59.
Предлагаемый поршневой криогенный насос работает следующим образом. Криогенная жидкость (сжиженный газ) направляется по трубопроводу подачи 6 в корпус рубашки охлаждения 4 и при всасывающем движении поршня 2 попадает в рабочую полость цилиндра 1 через впускной клапан 7. При нагнетательном движении поршня 2 сжиженный газ попадает через выпускной клапан 9 в трубопровод нагнетания 8. Утечки сжиженного газа попадают в штоковую полость цилиндра 1, откуда удаляются в рубашку охлаждения через отверстия 11 с клапанами 12, после чего соединяются с объемом сжиженного газа в рубашке охлаждения и отводятся через трубопровод утечек 10. Вакуумный кожух 5 почти полностью предотвращает теплообмен между корпусом рубашки охлаждения 4 и окружающей средой, что способствует более качественному охлаждению цилиндра 1. При использовании в качестве пробки 13 вакуумметра можно непрерывно оценивать давление внутри вакуумного кожуха 5.
Предварительный контакт между торцевой частью уплотнительной губки 18 и поверхностью штока 3 обеспечивается за счет разности диаметров (диаметр штока чуть больше диаметра отверстия). При этом торцевая часть уплотнительной губки 18 за счет своей эластичности может расшириться вплоть до внутренней поверхности кольца 16. При нагнетательном движении поршня 2 сжиженный газ попадает через выпускной клапан 9 в трубопровод нагнетания 8. Утечки сжиженного газа попадают в штоковую полость цилиндра 1, и при всасывающем движении поршня 2 создают там повышенное давление, которое, воздействуя на эластичный материал уплотнения 15, прижимает торцевую часть его уплотнительной губки 18 к поверхности штока 3 и способствует непрерывному контакту между ними. Наличие фаски 19 обеспечивает повышение эластичности торцевой части уплотнительной губки 18.
При длительной работе насоса предлагаемая сальниковая группа будет вырабатывать свой ресурс следующим образом. Ввиду того, что утечки газа создают повышенное давление и прижимают к штоку уплотнение 17, наиболее близко расположенное к поршню 2, весь износ приходится на торцевую часть уплотнительной губки 18 этого уплотнения. Остальные уплотнения 17 не испытывают нагрузок и не подвергаются износу. После того как ближайшее к поршню 2 уплотнение 17 начинает пропускать повышенное давление среды штоковой полости, в работу вступает следующее за ним уплотнение и так до последнего уплотнения. Ввиду наличия торца у губки 18 износ каждого уплотнения 17 будет происходить гораздо медленнее, чем в случае, если бы там была только фаска.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение затрат на обслуживание насоса, увеличение его ресурса.