Поршневой насос
PISTON PUMP

Изобретение представляет собой насос объемного типа, предназначено для перекачки жидких тел с возможностью размещения в скважинах. Может использоваться в насосных агрегатах.
Изобретение может использоваться во всех отраслях промышленности, в том числе:
в нефтедобывающей в процессе бурения, эксплуатации, ремонта скважин, для повышения нефтеоотдачи пласта;
в химической и нефтехимической отраслях для перекачивания кислот, аммиака, карбамида, меламина, подачи реагентов под давлением;
в энергетике в качестве питательного насоса котельной установки парогенератора;
в пищевой промышленности в составе оборудования для гомогенизации;
в машиностроении, для гидравлических прессов;
в производствах, требующих высоких давлений, в том числе взрыво- и пожароопасных;
в коммунальном хозяйстве при ремонте, опрессовке гидросистем и трубопроводов, при промывке канализации;
в паровых промысловых установках в качестве питательного насоса;
в газовой отрасли;
в сельском хозяйстве.
Кроме того, устройство может монтироваться на спецтехнике, а также применяться на судах и плавсредствах всех классов в качестве трюмных, зачистных и прочих насосов.
Известны поршневые насосы с возвратно-поступательным движением - станок-качалка. [Нефтепромысловое оборудование. «ЦентрЛитНефтеГаз» 2006 г.]
Известны поршневые паровые насосы [http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/118688/]. Их недостатками являются необходимость генерации и подачи пара к насосу, а также необходимость утилизации отработанного пара, что существенно снижает к.п.д. устройства.
Известен (RU 2133875, опубликовано: 27.07.1999) привод скважинного штангового насоса, содержащий электродвигатель, кинематически связанный с ним двухходовый винт с гайкой, ролики с тяговым элементом, характеризующийся тем, что гайка установлена с возможностью осевого перемещения по вертикальной направляющей, непосредственно соединена со штанговой колонной снизу, а сверху - колонной насосно-компрессорных труб тягой, выполненной в виде гибкой связи, кроме того, снабжен уравновешивающим контргрузом, размещенным на стойке, расположенной соосно с винтом, причем высота стойки больше длины хода гайки.
Недостатками устройства являются: сложность конструкции; необходимость вертикального размещения по меньшей мере приводной части устройства, а также возможность его размещения только вне скважины; невысокая производительность.
Для поршневых насосов, как и для других объемных насосов, характерны пульсации подачи и давления, что является недостатком. Для уменьшения пульсаций несколько поршней располагают в ряд, соединяют их с одним валом, при этом циклы работы должны быть сдвинуты относительно друг друга по фазе на равные углы. Такая конструкция увеличивает поперечные габариты насоса.
Для уменьшения пульсаций также используют дифференциальную схему включения насоса. Здесь, за счет соединения между собой основной рабочей и штоковой полостей, происходит нагнетание жидкости и во время прямого хода поршня, и во время обратного хода. Но у таких насосов отсутствует своя клапанная система распределения.
Двухсторонний насос имеет свою клапанную систему распределения. Такие насосы в отличие от насосов одностороннего действия имеют более низкий коэффициент пульсаций, а к.п.д. более высокий.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание поршневого насоса, обеспечивающего высокие технические показатели (напор, подачу) при низком коэффициенте пульсаций, обладающего незначительными поперечными габаритами, способного функционировать вместе с любым двигателем, позволяющим получать крутящий момент с вала, соответственно обладающего более высоким к.п.д. и автономностью.
Задача решена за счет использования в конструкции поршневого насоса винтового (привода) механизма, обеспечивающего возможность преобразования однонаправленного вращательного движения ведущего вала в возвратно-поступательное движение двухсторонних поршней в едином корпусе, а также клапанной системы распределения, обеспечивающей возможность равномерного распределения перекачиваемой жидкости или газа. Винтовым механизмом такая возможность достигается за счет использования эффекта заклинивания, в различные одноподвижные винтовые структурные группы при вращении ведущего звена - винта.
1
1
1
2
2
3
3
1
2.
Задача достигается тем, что согласно изобретению поршневой насос содержит корпус с всасывающими и напорными клапанами, внутри которого с возможностью вращения и с возможностью взаимного, относительного вдоль оси корпуса перемещения установлены два двухсторонних поршня, связанных между собой и корпусом винтовым приводом, образованным и представляющим собой установленный, с возможностью вращательного движения, в корпусе, ведущее звено-винт, имеющий угол наклона α винтовой линии, связанный образованием винтовой кинематической пары с ведомым звеном - двухсторонним поршнем, посредством отверстия с винтовой нарезкой с углом наклона α винтовой линии, выполненного по центру его днища, при этом этот двухсторонний поршень, кроме винтовой нарезки с углом наклона α винтовой линии, по центру своего противоположного днища имеет отверстие с винтовой нарезкой с углом наклона α винтовой линии, которой он связан образованием винтовой кинематической пары, с выходным звеном-винтом, на свободном конце которого установлен другой двухсторонний поршень, выходное звено-винт имеет, кроме винтовой нарезки с углом наклона α винтовой линии, винтовую нарезку с углом наклона α винтовой линии, посредством которой он связан образованием винтовой кинематической пары, с корпусом, при этом все винтовые нарезки одного направления, для винтовых линий углы наклона: α<α<α, а линейные размеры винтовых нарезок взаимозависимы перемещениям звеньев.
Для снижения трения, увеличения к.п.д. винтовой механизм может быть шарико-винтовым или ролико-винтовым.
Для поддержки и фиксации в корпусе ведущего вала винтового привода, а также обеспечения вращения с наименьшим сопротивлением, восприятия радиальной и осевой нагрузок ведущий вал винтового привода может быть снабжен радиально-упорным подшипником.
Корпус поршневого насоса может быть выполнен цилиндрическим.
В корпусе поршневого насоса могут быть выполнены каналы для охлаждающей, смазывающей, др. жидкости.
Материалом для изготовления корпуса поршневого насоса может быть сталь.
Материалом для изготовления двухсторонних поршней может служить бронза.
Двухсторонние поршни могут быть снабжены радиальными уплотнениями.
На фиг. 1, фиг. 2 схематично представлен поршневой насос в составе насосного агрегата. Насосный агрегат содержит кинематически связанные двигатель 1 и поршневой насос посредством его винтового привода. Двигатель 1 и поршневой насос с винтовым приводом могут быть установлены в одном (общем) корпусе либо на общей раме. Возможно выполнение насосного агрегата, в котором двигатель и поршневой насос с винтовым приводом установлены каждый в своем корпусе. Например, поршневой насос с винтовым приводом может быть установлен в одном корпусе, а двигатель установлен в другом (своем) корпусе или на отдельной раме. Возможно использование поршневого насоса и без применения двигателя. В этом случае, для приведения в движение винтового привода, соответственно поршней, используется мускульная сила.
Корпус 3 насоса может быть цилиндрическим и может быть выполнен разъемным в различных вариантах. Например, съемными могут быть обе торцевые крышки или одна из них, корпус может разъединяться в какой-либо плоскости. С поршневым насосом может использоваться любой двигатель, конструкция которого обеспечивает возможность снимать крутящий момент с вала. Это может быть электродвигатель, двигатель, функционирующий посредством жидкости или газа, двигатель внутреннего сгорания и др. В зависимости от исполнения, двигатель 1 может быть снабжен гидрозащитой, другой защитой, либо защита двигателю может быть не нужна. По степени взрывозащищенности электрооборудования может применяться электродвигатель в общепромышленном исполнении либо электродвигатель во взрывозащищенном исполнении.
Поршневой насос содержит приводную часть и гидравлическую часть. Приводная часть содержит винтовой привод (механизм) для преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршней. Гидравлическую часть содержит цилиндр (цилиндрическая проточка выполнена в корпусе 3), двухсторонние поршни, всасывающие и нагнетательные клапаны, может содержать уплотнения поршней, предохранительные клапаны.
В случае использования в насосном агрегате
С валом двигателя 1, выходной частью, функционирующей в качестве входного вала, связан винт 2 винтового привода (механизма). Соответственно винт 2 является ведущим в винтовом приводе. Возможно соосное и не соосное соединение вала двигателя 1 с винтом 2. Для передачи крутящего момента с двигателя может использоваться карданная передача, шарнир равных угловых скоростей, зубчатая муфта, ременная передача. Для увеличения срока службы используемая передача может быть герметизирована. Для компенсации динамических нагрузок соединение «вал двигателя 1 - винт 2» может быть снабжено гибкой или упругой муфтой, например, втулочно-пальцевой. Могут применяться эластичные муфты со стороны насоса с защитой, со стороны двигателя с защитой. Также возможно соединение вала двигателя с винтом 2 через редуктор, через редуктор с подогреваемым корпусом. Торцевая крышка (либо перегородка, если двигатель и поршневой насос находятся в едином корпусе) корпуса 3 выполняет функцию опоры выходной части винта 2. Для поддержки и фиксации выходной части винта 2 в корпусе 3, а также обеспечения вращения с наименьшим сопротивлением, восприятия радиальной и осевой нагрузок может применятся радиально-упорный подшипник. Для защиты подшипника, для предотвращения просачивания жидкости, газа, паров на выходной части, функционирующей в качестве вала, с двух сторон подшипника, могут быть установлены уплотнения: механические; с ручной регулировкой; с пружинным нажимом; сальниковые; манжетные; с запорной камерой и указателями утечек.
В наземных поршневых насосах для предотвращения утечек жидкости в атмосферу к механическому уплотнению может быть добавлено манжетное. Также утечка может быть направлена во всасывающую линию насоса. При этом жидкость, которая в небольшом количестве просачивается через механическое уплотнение, служит смазкой и охлаждает трущиеся детали уплотнения, соответственно, дополнительно подавать масло в уплотнение не требуется.
1
2
2
3
2
3
3
1
2
С винтом 2, своей первой винтовой нарезкой 4 (с углом наклона α винтовой линии) в отверстии, выполненном по центру днища, связан поршень 5, установленный с возможностью вращения в корпусе 3. Поршень 5 имеет два днища (т.е. является двухсторонним), в центре каждого из которых имеется резьбовое отверстие. Поршень 5 своей второй винтовой нарезкой (с углом наклона α винтовой линии) в отверстии, выполненном по центру противоположного днища, связан с винтом 7, имеющим две винтовые нарезки, одна из которых с углом наклона α винтовой линиии, другая - α винтовой линии. Таким образом, поршень 5 можно представить, как «гайку» с двумя разными винтовыми нарезками. Поршень 5 и винт 7 образуют винтовую кинематическую пару винтовой нарезкой 6 (с углом наклона α винтовой линии). Винт 7 и корпус 3 (внутренняя перегородка в корпусе, являющаяся опорой винта 7, имеет резьбовое отверстие по центру, с углом наклона α винтовой линии) образуют винтовую кинематическую пару винтовой нарезкой 8. Все винтовые нарезки одного направления, для винтовых линий углы наклона α<α<α, а линейные размеры винтовых нарезок взаимозависимы перемещениям звеньев.
На свободном конце винта 7 с возможностью вращения относительно корпуса 3 установлен поршень 9. Поршень 9 является двухсторонним и соединен с винтом 7 шарнирно или жестко. В случае шарнирного соединения винт 7 имеет возможность вращения относительно поршня 9. В случае жесткого соединения винт 7 вращается заодно с поршнем 9.
Для предотвращения (уменьшения) утечки газа, жидкости между поршнями и цилиндром в проточках (канавках), выполненных на цилиндрической части поршней 5 и 9, могут быть установлены радиальные уплотнения. Поршни 5 и 9 в корпусе 3 формируют три камеры «А», «В», «С», которые могут быть соединены напорной магистралью 10. Камеры посредством всасывающих клапанов 11, 12, 13 имеют возможность сообщаться с пространством вне корпуса 3. Клапаны 11, 12, 13 функционируют посредством разрежения в камерах «А», «В», «С». Также эти клапана могут быть снабжены фильтрами и соединены всасывающей магистралью с фильтром на входе. Клапаны 14, 15, 16 функционируют посредством давления в камерах «А», «В», «С», т.е. являются напорными, и обеспечивают возможность сообщения камер с напорной магистралью 10. Для уменьшения радиальных размеров устройства сечения магистралей могут быть выполнены сегментными. Могут применяться всасывающие и нагнетательные патрубки, одинарные, сдвоенные и т.п., выполненные из углеродистой стали, цветных металлов, их сплавов, пластика. Клапаны 14, 15 могут быть расположены в цилиндре таким образом (фиг. 2), что в момент замыкания звеньев поршни перекрывают эти клапана. Тем самым создается замкнутый демпфирующий объем, что способствует снижению динамических нагрузок. Последовательность перемещения поршней, в результате чего происходит изменение объема камер «А», «В», «С», определится кинематикой винтовых пар, с которыми связаны поршни. Для устранения трения скольжения в винтовом механизме (винтовой передаче), последний может быть исполнен шарико-винтовым или ролико-винтовым.
Поршневой насос может быть снабжен предохранительным клапаном, например, пружинным. В нормальном режиме работы он может быть отрегулирован как на номинальное, так и другое рабочее давление. В зависимости от исполнения поршневой насос может быть без гидрозатвора или с гидрозатвором.
В зависимости от области применения поршневой насос может оснащаться обогревом или охлаждением. Для этого гидравлическая часть по конструкции может быть:
без охлаждения (обогрева) гидравлической части с подводом к цилиндру (к внешней его поверхности) охлаждающей, промывочной или гидрозатворной жидкости;
с охлаждением (обогревом) гидравлической части, с подводом к цилиндру (к внешней его поверхности) промывочной, охлаждающей или гидрозатворной жидкости через каналы, выполненные в корпусе насоса.
Материальное исполнение насоса
К материалам, применяемым для изготовления гидравлической части поршневого насоса, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность; малый коэффициент линейного расширения; высокая коррозионная стойкость; хорошие антифрикционные свойства.
Для изготовления скользящих пар (цилиндр, поршни) возможно применение стали, чугуна, бронзы, сплавов, причем в различных сочетаниях, одна деталь может быть изготовлена из стали или чугуна, а парная ей - из бронзы, и наоборот.
Материалы для цилиндра и поршней:
хромистые стали типа 20X13 или 40X13 ГОСТ 5632-72; хромоникелевые стали типа 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72; серые чугуны СЧ 20, СЧ 15; антифрикционные чугуны АЧК-2, АЧВ-2; кованые углеродистые стали; дуплексные нержавеющие стали; сплав «никель-алюминий-бронза»;
бронзы: Бр ОФ10-1, Бр ОЦС 6-6-3, Бр АЖ 9-4 и др., серые чугуны СЧ 20, СЧ 15, антифрикционные чугуны АЧК-2, АЧВ-2.
Поршни могут иметь покрытие из карбида вольфрама; поршни для воды выполнены с наплавкой 45Ni60. Поршни могут быть выполнены из керамики или с покрытием из керамики.
Клапаны
Конические. Каждый из них может быть выполнен с направляющей и нагружен пружиной. По конструкции клапана на всасывании и клапана на нагнетании могут быть идентичными, что облегчает обслуживание.
Материалы для клапанов и седел: нержавеющая сталь, например сталь 316.
Для дозирующих насосов могут применяться шаровые клапаны из нержавеющих сталей.
Уплотнение поршней в цилиндре
За счет размещения поршней и их привода в едином (общем для них) цилиндре поршневой насос способен функционировать и без каких-либо дополнительных уплотнительных элементов между поршнями и цилиндром.
Для предотвращения (уменьшения) утечки газа, жидкости между поршнями и цилиндром поршни могут быть выполнены с радиальными проточками (канавками, выступами) и снабжены радиальными уплотнениями.
Материалы и виды уплотнений:
фтор-каучук (FKM);
NBR (бутадиен-нитрильный каучук);
самонатягивающееся уплотнение поршня двойная сальниковая набивка с мягким уплотнением обратная утечка на стороне всаса материал: ПТФЕ (PTFE); FPM.
Винтовой привод (механизм) преобразует вращательное движение вала двигателя в поступательное движение поршней. Винтовой привод (винтовой механизм) поршневого насоса допускает возможность вращения винтов 2 и 7 в любую сторону. В зависимости от исполнения, для винтового механизма (передачи винт-гайка) может использоваться резьба: трапецеидальная (при реверсивной нагрузке), упорная (при нереверсивной нагрузке), а также прямоугольная, треугольная, круглая, полукруглая, арочная. Также в зависимости от исполнения резьба может быть правой, левой, одно- и многозаходной, несамотормозящейся.
Винты 2, 7 могут быть выполнены цельными, либо каждый из них может быть выполнен составным, например, путем свинчивания. Винты могут быть выполнены из сталей 45, 50, У10, 40Х, 40ХГ, 40ХГВ, А40Г, 65Г, и др. с последующей закалкой до твердости HRC 50-55 и шлифованием рабочих поверхностей.
Каждая «гайка» может быть выполнена в виде бронзовой втулки неразъемной или разъемной. Две втулки установлены в тело поршня 5, а одна - в перегородку в корпусе 3 (перегородка также может быть разъемной).
Втулки могут быть запрессованы или установлены с возможностью относительно быстрого снятия. В последнем случае втулки могут быть зафиксированы в теле поршня и в перегородке корпуса при помощи прижимных винтов или штифтов. Разъемные «гайки» - втулки, разъемная перегородка обеспечивают возможность осуществлять разборку (сборку) быстрее.
Материал «гайки»: бронзы Бр ОФ10-1, Бр ОЦС 6-6-3, Бр АЖ 9-4 и др., серые чугуны СЧ 20, СЧ 15, антифрикционные чугуны АЧК-2, АЧВ-2.
Также сами поршни, торцевые крышки, перегородки в корпусе 3 могут быть выполнены из этих материалов и без каких-либо втулок.
Возможно выполнение винтового механизма шарико-винтовым. В таком случае передача винт-гайка качения образуется шариками, размещенными между винтовыми поверхностями винта и гайки. При вращении винта в одном направлении шарики перекатываются и по обводному каналу в гайке (обводные каналы могут быть выполнены в теле поршня и в перегородке) возвращаются в рабочую зону.
Такая винтовая пара не является самотормозящейся и может применяться как для преобразования вращательного движения в поступательное, так и наоборот. Кроме того, для такой передачи характерны высокие жесткость и точность, возможность полной выборки зазора, возможность работы без смазки, небольшая скорость изнашивания, высокий К.П.Д. Материалом винта может служить сталь 8ХФ, «гайки» - сталь 9ХС, термообработка - поверхностная закалка до твердости HRC 58-62.
Функционирование винтового привода
Винтовой привод поршневого насоса представляет собой механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, то есть винтовой механизм, схематично представленный на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, где его функционирование представляется несколькими кинематическими сочетаниями подвижных звеньев.
3-2
Такой винтовой механизм содержит ведущее звено-винт 2, установленный с возможностью вращения в опоре (в «левой» торцевой крышке корпуса 3). Винт 2 образует с опорой вращательную кинематическую пару (Вр.КП),
1
α - угол наклона винтовой линии винта 2.
1
С ведущим звеном-винтом 2 посредством винтовой нарезки с углом наклона α винтовой линии связано выходное звено - дифференциальная гайка (поршень 5), имеющая(-ий) две винтовые нарезки, где:
1
α - угол наклона винтовой линии гайки (винтовой нарезки поршня 5, "левой" части);
2
α - угол наклона винтовой линии гайки (винтовой нарезки поршня 5, "правой" части).
2
2
3
Гайка (поршень 5) посредством винтовой нарезки с углом наклона α, винтовой линии связана с выходным звеном-винтом 7, имеющим две винтовые нарезки, одна из которых с углом наклона α винтовой линиии, другая - α винтовой линии.
2-5
5-7
Таким образом, гайка (поршень 5) образует первую винтовую кинематическую пару (ВКП) с ведущим звеном-винтом 2 и вторую винтовую кинематическую пару (ВКП) с выходным звеном-винтом 7.
3
3
7-3
Винт 7 посредством своей второй винтовой нарезки с углом наклона α винтовой линии связан с опорой (с внутренней перегородкой в корпусе, являющейся опорой винта 7), имеющей винтовую нарезку с углом наклона α винтовой линии, образуя третью винтовую кинематическую пару (ВКП).
Все винтовые нарезки одного направления, при этом углы наклона винтовых линий:
3
1
2,.
α<α<α Линейные размеры винтовых нарезок взаимозависимы перемещениям звеньев.
Винтовые кинематические пары могут образовывать между собой различные сочетания, что и позволяет при одностороннем вращении ведущего звена-винта 2 обеспечивать возвратно-поступательные движения выходных звеньев - гайки (поршня 5) и винта 7. Обеспечение возможности преобразования однонаправленного вращательного движения ведущего звена в возвратно-поступательные движения выходных звеньев решено за счет получения возможности при вращении ведущего звена-винта преобразовывать механизм структурно, при использовании эффекта заклинивания, в различные одноподвижные винтовые структурные группы.
При вращении винта 2 поршень 5 из крайнего положения перемещается на величину хода винта 2 в направлении уменьшения объема камеры «А». За счет этого происходит нагнетание рабочего тела через клапан 14 в магистраль 10. Поршень 5 своей винтовой нарезкой 6 приводит в движение винт 7 с поршнем 9. При этом увеличиваются объемы камер «В» и «С». При увеличении объема камеры «В» идет процесс всасывания рабочего тела в эту камеру через клапан 12. При увеличении объема камеры «С» идет процесс всасывания рабочего тела в эту камеру через клапан 13.
Поршень 5 замкнется с винтом 2, тем самым будет образовано вращательное звено (винт - поршень). Вращение поршня 5 преобразуется в поступательные составляющие винта 7 с поршнем 9, камера «С» увеличивается, соответственно, происходит всасывание, камера «В» уменьшается, соответственно, происходит нагнетание. Объем камеры «А» не изменится.
В конце хода винта 7 поршень 5 и винт 7 замкнутся друг с другом и вместе с поршнем 9 получат поступательную составляющую перемещения, в результате чего будет увеличиваться объем камеры «А», соответственно, будет идти процесс всасывания в эту камеру, объем камеры «С» будет уменьшаться, соответственно, будет идти процесс нагнетания из этой камеры. Объем камеры «В» будет оставаться неизменным.
Перемещение поршня 5 и винта 7 приведет к замыканию винта 7 на корпус 3. Винт 7, замкнувшись на корпус 3, становится стойкой. С вращением винта 2 поступательная составляющая винтового движения поршня 5 приведет к увеличению объема камеры «В» и уменьшению объема камеры «А». Объем камеры «С» не изменится. Далее циклы повторяются.