ГИДРОПРИВОДНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
HYDRAULICALLY DRIVEN PUMPING UNIT

Изобретение относится к области насосостроения и в качестве насоса может найти применение в различных отраслях промышленности.
Известны устройства, которые преобразовывают энергию давления рабочей жидкости в энергию перекачиваемой среды. Агрегат включает в себя насос подачи рабочей жидкости, входной и напорный патрубок перекачиваемой среды и перекачивающий блок с тремя гидроприводными и нагнетательными камерами, разделенными между собой мембраной. В камерах происходит передача энергии давления рабочей жидкости перекачиваемой среде. Для управления работой гидроприводных камер используется роторный распределитель, а работа нагнетательных камер организована с помощью обратных клапанов. Ротор распределителя имеет подвод и отвод рабочей жидкости и окна низкого и высокого давления, которыми он при вращении поочередно сообщается с тремя окнами на статоре распределителя, которые, в свою очередь, сообщены с гидроприводными камерами перекачивающего блока. (RU 2123135 C1, 12.10.1998).
Недостаток агрегата заключается в использовании обратных клапанов. Обратные клапаны ограничивают производительность устройства, так как ограничивают рабочую частоту перекачивающего блока.
Другим недостатком агрегата является наличие подвода и отвода жидкости к вращающемуся элементу распределителя, что ведет к усложнению конструкции, снижению долговечности и увеличению габаритов распределителя
Известен также гидроприводной насосный агрегат, содержит источник гидравлической энергии рабочей жидкости, роторный распределитель перекачиваемой среды и роторный распределитетель рабочей жидкости. Оба ротора распределителей насажены на один вал, а статоры соединены, соответственно, с входным и напорным коллекторами перекачиваемой среды и со сливной и напорной магистралями рабочей жидкости. Роторы обоих распределителей прикреплены к противоположным сторонам перекачивающего блока и имеют вместе с ним подвижность в осевом направлении. Перекачивающий блок содержит гидроприводные и нагнетательные камеры, разделенные между собой эластичным элементом и каждая камера соединена с соответствующим окном ротора распределителя. Кроме того, для обеспечения взаимного прижатия рабочих поверхностей статора и ротора обоих распределителей окна подвода и отвода жидкости на обоих статорах размещены попарно и симметрично относительно оси вращения ротора, а каждый ротор имеет число окон, кратное шести. На рабочей поверхности одного из статоров возле каждой радиальной стороны окна высокого давления выполнено по углублению и этот статор снабжен сдвоенным гидравлическим цилиндром, который расположен по центру оси вращения ротора. Рабочий диск этого статора имеет подвижность вдоль оси вала и взаимодействует со сдвоенным гидравлическим цилиндром. Основная полость цилиндра сообщена с окном высокого давления, а вспомогательная полость сообщена с каждым углублением на рабочей поверхности статора. (RU 2008108560 A, 10.09.2009).
Последнее устройство служит прототипом изобретения.
Прототип имеет недостатки и все они обусловлены техническим решением по обеспечению усилия взаимного прижатия рабочих поверхностей статора и ротора обоих распределителей
1. Первый недостаток заключается в том, что распределители работают в условиях, при которых их рабочие поверхности большую часть времени находятся при контактном давлении, значительно большем, чем того требуют условия по оптимизации величины протечек, что ведет к их усиленному износу. Основная полость цилиндра обеспечивает постоянную составляющую усилия прижатия рабочих поверхностей статора и ротора обоих распределителей. Вспомогательная полость создает дополнительное усилие в моменты, когда очередные окна ротора находятся только в начале своего движения по окну высокого давления статора и сбрасывает это дополнительное усилие, когда они выходят из контакта с окном высокого давления и соединяются с окном низкого давления. В эти моменты разжимающее усилие скачкообразно увеличивается или уменьшается. Работа опытного агрегата показала, что вспомогательная полость сдвоенного цилиндра успевает сработать и своевременно компенсировать изменение разжимающего усилия при скорости вращения до 20 об/мин. Конструирование насосов с такой частотой вращения ротора ведет к значительному увеличению габаритов ротора. При большей частоте вращения вспомогательная полость цилиндра не успевает срабатывать и остается в состоянии динамического равновесия при каком-то осредненном давлении. Протечки становятся недопустимо большими. Для уменьшения протечек приходится увеличить усилие от основной полости цилиндра. В результате распределители работают в условиях пульсирующего контактного давления рабочих поверхностей, причем большую часть времени с контактным давлением, значительно большим, чем того требуют условия по оптимизации величины протечек. Повышенное контактное давление рабочих поверхностей ведет к их усиленному износу.
2. Рабочая поверхность каждого статора распределителя имеет не менее четырех окон и соответственно не менее четырех перемычек. При четырех перемычках диаметр рабочей поверхности будет несколько большим, чем в традиционном распределителе с двумя окнами и двумя перемычками. Увеличение диаметра рабочей поверхности увеличивает линейную скорость относительного движения рабочих поверхностей ротора и статора. В итоге усиливается износ рабочих поверхностей распределителя, то есть уменьшается ресурс агрегата.
3. Увеличение диаметра рабочих поверхностей распределителя ведет к увеличению протечек в распределителе, то есть к уменьшению объемного КПД агрегата.
4. Разделение жидкости на парные симметричные потоки у статоров распределителей приводит к усложнению конструкции подводящих каналов и к увеличению габаритов агрегата.
В предлагаемом агрегате общим с прототипом является наличие источника гидравлической энергии рабочей жидкости, двух роторных распределителей: распределителя перекачиваемой среды и распределителя рабочей жидкости. Роторы обоих распределителей насажены на один вал и прикреплены к противоположным сторонам перекачивающего блока, при этом роторы обоих распределителей и перекачивающий блок имеют подвижность вдоль оси вала, а перекачивающий блок содержит гидроприводные и нагнетательные камеры, разделенные между собой эластичным элементом и каждая камера соединена с соответствующим окном ротора распределителя. Статоры распределителей соединены, соответственно, с входным и напорным коллекторами перекачиваемой среды и со сливной и напорной магистралями рабочей жидкости.
Задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении ресурса агрегата, в увеличении объемного КПД, в упрощении конструкции и в уменьшении габаритов агрегата.
В изобретении достигается следующий технический результат:
- Разжимающее усилие, возникающее у каждого окна ротора при его соединении с окном высокого давления статора компенсируется одновременно с его возникновением на всех рабочих оборотах вращения ротора. Аналогично и сброс усилия компенсации происходит одновременно с исчезновением разжимающего усилия возле окна ротора. В итоге распределители работают в условиях стабильного и оптимального контактного давления рабочих поверхностей с минимальным износом.
- Число перемычек на рабочей поверхности статоров уменьшается с четырех до двух. Вследствие этого уменьшается диаметр рабочих поверхностей распределителя и значит уменьшается линейная скорость их относительного движения. В итоге также снижается износ рабочих поверхностей.
- Вследствие уменьшения диаметра рабочих поверхностей уменьшаются протечки в обоих распределителях.
- Уменьшаются габариты и упрощается конструкция агрегата вследствие того, что перекачиваемая среда и рабочая жидкость у статоров не разделена на парные симметричные потоки, а имеет только по одному каналу подвода и отвода.
Технический результат достигается тем, что в известном гидроприводном насосном агрегате, содержащем источник гидравлической энергии рабочей жидкости, роторные распределители перекачиваемой среды и рабочей жидкости, роторы которых насажены на один вал и прикреплены к противоположным сторонам перекачивающего блока, при этом роторы обоих распределителей и перекачивающий блок имеют подвижность относительно оси вала, а перекачивающий блок содержит гидроприводные и нагнетательные камеры, разделенные между собой эластичным элементом и каждая камера соединена с соответствующим окном ротора распределителя, а статоры соединены, соответственно, с входным и напорным коллекторами перекачиваемой среды и со сливной и напорной магистралями рабочей жидкости, согласно изобретению по крайней мере на одном из роторов у каждого его окна установлен силовой гидравлический элемент, имеющий связь с этим окном и взаимодействующий в осевом направлении с ротором распределителя и с перекачивающим блоком.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 изображена гидравлическая схема предлагаемого агрегата, совмещенная с его конструкцией;
на фиг.2 изображено расположение окон статора;
на фиг.3 изображено расположение окон ротора с силовыми гидроцилиндрами.
Насосный агрегат включает в себя следующие основные узлы: насос 1 с регулируемой подачей рабочей жидкости (масла), который трубопроводом 2 напорной магистрали соединен со входом роторного распределителя 3 рабочей жидкости. Выход из распределителя 3 трубопроводом 4 сливной магистрали соединен с маслобаком 5. Во входном коллекторе 6 перекачиваемой среды встроен центробежный насос 7 подпитки, выход из которого соединен со входом роторного распределителя 8 перекачиваемой среды. Выход из распределителя 8 соединен с напорным коллектором 9 перекачиваемой среды. Роторные распределители 3 и 8 выполнены идентично и состоят из статора 10 и ротора 11. В каждом статоре 10 выполнены по два окна Р и Т, сообщающихся с трубопроводами соответственно высокого (2 и 9) и низкого (4 и 6) давления. Роторы 11 вместе с перекачивающим блоком 12 посажены на вал 13 на скользящей шпонке. Вал 13 получает вращение от привода 14. На каждом роторе 11 выполнено по девять окон 15, для сообщения окон Р или T статора 10 с камерами перекачивающего блока 12. Перекачивающий блок 12 состоит из девяти цилиндрических емкостей 16 со смежными камерами переменного объема - гидроприводными 17 и нагнетательными 18. Между собой камеры 17 и 18 разделены эластичным сильфоном 19. На подвижной стенке сильфона 19 со стороны рабочей жидкости имеется сужающийся конический выступ 20, который имеет возможность перекрывать отверстие 21 в гидроприводной камере 17. Ротор рабочей жидкости 11 имеет подвижность в осевом направлении относительно перекачивающего блока 12. Напротив каждого окна 15 ротора 11 установлен силовой гидравлический элемент, выполненный в виде гидроцилиндра 22, имеющий связь с этим окном и взаимодействующий в осевом направлении с ротором 11 и с перекачивающим блоком 12.
Производительность насоса 7 несколько больше производительности насоса 1.
Насосный агрегат работает следующим образом. Привод 14 через вал 13 вращает перекачивающий блок 12 вместе с роторами 11 распределителей 3 и 8. Насос 1 из маслобака 5 подает масло на вход распределителя 3 в полость окна Р статора 10. Полость окна Р питает поочередно движущиеся по окружности окна 15 ротора 11 и далее гидроприводные камеры 17. Из полости 17 масло аналогично сливается через окно Т статора 10 по трубопроводу 4 в маслобак 5. Такой же процесс происходит в распределителе 8 перекачиваемой среды. За один оборот каждая из емкостей 16 побывает в фазе нагнетания масла в нагнетательную полость 17 и подачи перекачиваемой среды из полости 18 в напорный коллектор 9, а также в фазе подачи перекачиваемой среды в полость 18 и вытеснения масла на слив из полости 17. Поскольку производительность насоса 7 несколько больше производительности насоса 1, то всегда в конце фазы вытеснения масла на слив клапан 20 перекроет отверстие 21. Клапан 20 имеет сужающуюся форму и перекрытие отверстия 21 происходит плавно без гидравлических ударов. В перекрытом состоянии клапан «дежурит» до очередного появления в отверстии 21 давления рабочей жидкости из полости Р распределителя 3.
Частота вращения роторов 11 установлена таким образом, что даже при максимальной производительности насоса 1 сильфон 18 при ходе вправо не сжимается больше допустимого уровня.
На рабочие поверхности дисков распределителей 3 и 8 действует разжимающая сила, определяемая площадью окон Р и Т и давленим в них. Кроме того, добавляется сила, связанная с перетоком жидкости по щели между контактными поверхностями из полостей с высоким давлением в полости с низким давлением. В период, когда окна 15 ротора 11 находятся в тени окна Р статора 10, они не оказывает влияния на величину разжимающего усилия. В момент когда очередное окно 15 ротора 11 подходит к окну Р статора 10, разжимающее усилие резко увеличивается. Аналогично, когда окно 15 соединяется с окном Т статора 10, усилие резко уменьшается. То есть при подключении очередного окна 15 к окнам Р и Т статора 10 величина разжимающей силы скачкообразно меняется на величину, определяемую площадью окна 15 и давлением в полости Р или Т, а также влияет сила, связанная с перетоком жидкости по щели между контактными поверхностями под окном 15. Меняется также и место приложения этого скачка разжимающей силы.
Для нормальной работы распределителя требуется, чтобы усилие взаимного прижатия рабочих поверхностей статора 10 и ротора 11 всегда превосходило на какую-то величину разжимающее усилие. Обычно принимают превышение, равное 6%…10%.
Рабочие площади гидроцилиндра 22 выбраны таким образом, что указанное соотношение сил выполняется на всех фазах работы распределителя 3. Как только очередное окно ротора 15 рабочей жидкости соединится с окном Р статора 10 и в нем возрастет давление, в тот же момент возрастает прижимающая сила от гидроцилиндра 22 этого окна 15, которая компенсирует увеличивающуюся разжимающую силу. Аналогично, как только очередное окно 15 ротора 3 рабочей жидкости соединится с окном Т статора 10 и в нем давление упадет, в тот же момент пропорционально уменьшается и прижимающая сила от гидроцилиндра 22 этого окна 15. В этот же момент уменьшается и разжимающая сила. В итоге суммарное прижимающее усилие от гидроцилиндров 22, находящихся попеременно под высоким и низким давлением, всегда будет превышать общее разжимающее усилие на расчетную величину, например 6%…10%. Вследствие подвижности перекачивающего блока 12 в осевом направлении усилие от гидроцилиндров 22 будет распространяться и на прижатие рабочих поверхностей распределителя 8 перекачиваемой среды. То есть оба распределителя будут работать в условиях стабильного и оптимального контактного давления рабочих поверхностей с минимальным износом.
Предлагаемый гидроприводной насосный агрегат по сравнению с прототипом более долговечен, имеет более высокий объемный КПД, меньшие габариты и конструктивно проще.
В агрегате энергия давления рабочей жидкости (масла) преобразуется в энергию давления перекачиваемой среды. Это направление перспективно, так как маслонасосы на порядок долговечней и компактнее плунжерных насосов и в разы дешевле. Кроме того, направление перспективно в связи с тем, что в качестве базовых элементов агрегата могут использоваться уже известные и опробованные в технике узлы (эластичные износостойкие разделители среды и роторные распределители с рабочими дисками из керамики). Преимущества насосного агрегата становятся особо ощутимыми по отношению к плунжерным (поршневым) насосам с давлением от 8 до 35 МПа и мощностью от 100 до 1500 кВт, например, по отношению к существующим буровым насосам.