ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЙ НАСОС
RECIPROCATING PUMP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ,  К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к возвратно-поступательному насосу для перекачивания жидкости.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением предусмотрен возвратно-поступательный насос для перекачивания жидкости, причем возвратно-поступательный насос включает в себя:
первый рабочий вертикальный трубопровод для удержания перекачиваемой жидкости, причем первый трубопровод имеет открытый верхний конец и нижний конец, причем верхний конец образует выпускное отверстие, через которое жидкость выпускается из первого трубопровода под давлением;
второй рабочий вертикальный трубопровод для удержания перекачиваемой жидкости, причем второй трубопровод имеет открытый верхний конец и нижний конец, причем верхний конец образует выпускное отверстие, через которое жидкость выпускается из второго трубопровода под давлением;
клапанный узел, расположенный в нижних концевых областях первого и второго трубопроводов, причем клапанный узел содержит:
a) клапанный корпус, образующий первую клапанную камеру и отдельную вторую клапанную камеру, которая изолирована от первой клапанной камеры, причем первая клапанная камера находится в сообщении по потоку со вторым трубопроводом и образует первое выпускное отверстие и первое всасывающее отверстие, расположенное в источнике перекачиваемой жидкости, а вторая клапанная камера находится в сообщении по потоку с первым трубопроводом и образует второе выпускное отверстие и второе всасывающее отверстие, расположенное в источнике перекачиваемой жидкости;
b) первый комплект клапанов, содержащий первый односторонний выпускной клапан в первом выпускном отверстии для обеспечения потока жидкости из первой клапанной камеры в первый перепускной трубопровод, но предотвращения обратного потока; и первый односторонний всасывающий клапан в первом всасывающем отверстии для обеспечения потока из источника жидкости в первую клапанную камеру, но предотвращения обратного потока;
c) второй комплект клапанов, содержащий второй односторонний выпускной клапан во втором выпускном отверстии для обеспечения потока жидкости из второй клапанной камеры во второй перепускной трубопровод, но предотвращения обратного потока; и второй односторонний всасывающий клапан во втором всасывающем отверстии для обеспечения потока из источника жидкости во вторую клапанную камеру, но предотвращения обратного потока;
d) первый поршень, расположенный с возможностью перемещения в первой клапанной камере, причем на сторону поршня воздействует столб жидкости в первом трубопроводе, причем первый поршень выполнен с возможностью перемещения между первым блокирующим положением, в котором первый поршень блокирует поток жидкости между первым всасывающим отверстием и первым выпускным отверстием, и вторым открытым положением, в котором возможен поток между первым всасывающим отверстием и первым выпускным отверстием;
e) второй поршень, расположенный с возможностью перемещения во второй клапанной камере, причем на сторону поршня воздействует столб жидкости во втором трубопроводе, причем второй поршень выполнен с возможностью перемещения между первым блокирующим положением, в котором второй поршень блокирует поток жидкости между вторым всасывающим отверстием и вторым выпускным отверстием, и вторым открытым положением, в котором возможен поток между вторым всасывающим отверстием и вторым выпускным отверстием; и
f) средство передачи усилия для передачи усилия, оказываемого на один из поршней столбом жидкости, воздействующим на поршень, на другой поршень и, следовательно, на столб жидкости, упирающийся в другой поршень,
первый перепускной трубопровод, проходящий между первым выпускным отверстием и вторым трубопроводом, обеспечивая сообщение по потоку между жидкостью в первой клапанной камере и жидкостью во втором трубопроводе;
второй перепускной трубопровод, проходящий между вторым выпускным отверстием и первым трубопроводом, обеспечивая сообщение по потоку между жидкостью во второй клапанной камере и жидкостью в первом трубопроводе; и
приводной узел, содержащий:
a) первый плунжер, который расположен с возможностью перемещения в первом трубопроводе в его верхнем конце для оказания направленного вниз насосного усилия на жидкость в первом трубопроводе;
b) второй плунжер, который расположен с возможностью перемещения во втором трубопроводе в его верхнем конце для оказания направленного вниз насосного усилия на жидкость во втором трубопроводе; и
c) приводное средство для осуществления перемещения первого и второго плунжеров чередующимся возвратно-поступательным образом, при котором первый плунжер перемещается вниз, тем самым оказывая направленное вниз насосное усилие на жидкость в первом трубопроводе, тогда как второй плунжер одновременно перемещается вверх, позволяя выпуск жидкости из верхнего конца второго трубопровода, и при котором второй плунжер после этого перемещается вниз, тем самым оказывая направленное вниз насосное усилие на жидкость во втором трубопроводе, тогда как первый плунжер одновременно перемещается вверх, позволяя выпуск жидкости из верхнего конца первого трубопровода.
Возвратно-поступательный насос может включать в себя U-образный трубопровод, который включает в себя первый и второй трубопроводы, обеспеченные вертикальными стояками U-образного трубопровода, причем клапанный корпус обеспечен в нижнем трубопроводном участке, проходящем между нижними концами стояков, причем нижний трубопроводный участок имеет центральный разделитель, который герметично делит нижний трубопроводный участок на две части, которые образуют первую и вторую клапанные камеры клапанного корпуса.
Приводное средство может содержать электродвигатель и коленчатый вал, который приводится в движение электродвигателем, причем плунжеры соединены с коленчатым валом.
Первый и второй трубопроводы могут иметь жесткую полую цилиндрическую конструкцию на верхних концах. В связи с этим каждый плунжер может иметь комплементарную цилиндрическую конфигурацию, позволяющую скользящее возвратно-поступательное перемещение плунжеров в первом и втором трубопроводах. В частности, каждый плунжер может иметь закрытый верхний конец и открытый нижний конец и полый цилиндрический корпус, продолжающийся между верхним и нижним концами, причем верхний конец соединен с коленчатым валом приводного средства. Наружный диаметр корпуса каждого плунжера может быть немного меньше внутреннего диаметра верхней концевой области первого и второго трубопроводов, тем самым позволяя скользящее перемещение плунжера в одном из первого и второго трубопроводов.
Верхняя концевая область корпуса плунжера может образовывать несколько выпускных отверстий в боковой стенке, через которые выпускается жидкость при рабочем перемещении плунжера вверх и поднятии верхней концевой области плунжера в положение над верхним концом первого или второго трубопровода, в котором находится плунжер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные признаки изобретения описаны ниже в качестве неограничивающего примера изобретения со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи. На чертежах:
Фигура 1 показывает вид сбоку возвратно-поступательного насоса в соответствии с изобретением в первом режиме работы;
Фигура 2 показывает вид сбоку возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, во втором режиме работы;
Фигура 3 показывает частичный увеличенный вид сбоку клапанного узла возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, в первом режиме работы;
Фигура 4 показывает частичный увеличенный вид сбоку клапанного узла возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, во втором режиме работы;
Фигура 5 показывает частичный увеличенный вид сбоку верхней конструкции возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, в первом режиме работы;
Фигура 6 показывает вид сзади в разрезе возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, взятом по линии разреза VI-VI, показанной на Фигуре 3;
Фигура 7 показывает вид сзади в разрезе возвратно-поступательного насоса, показанного на Фигуре 1, взятом по линии разреза VII-VII, показанной на Фигуре 4;
Фигура 8 показывает частичный увеличенный вид сбоку клапанного узла другого варианта выполнения возвратно-поступательного насоса в соответствии с изобретением, в первом режиме работы; и
Фигура 9 показывает частичный увеличенный вид сбоку клапанного узла, показанного на Фигуре 8, во втором режиме работы возвратно-поступательного насоса.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Со ссылкой на Фигуры 1-7 возвратно-поступательный насос в соответствии с изобретением в целом обозначен ссылочной позицией 10. Возвратно-поступательный насос 10 выполнен с возможностью перекачивания жидкостей, имеющих удельную плотность не меньше единицы. Возвратно-поступательный насос использует равновесную технологию гидравлического насоса для перемещения воды с меньшей высоты на большую высоту. Заявитель предполагает, что возвратно-поступательный насос в соответствии с изобретением подходит для забора воды из скважин, перекачивания воды вверх из стволов шахт, перекачивания воды из рек или запруд в резервуары на большей высоте, перекачивания морской воды из океана в рыболовные хозяйства или опреснительные установки, наполнения водяных резервуаров наверху высоких зданий, перекачивания воды в места на относительно большой высоте для хранения и последующего использования с целью обеспечения гидроэлектрической энергии, и т.д.
Возвратно-поступательный насос 10 в общем содержит первый трубопровод в виде первого вертикального стояка 12, второй трубопровод в виде второго вертикального стояка 14, первый перепускной трубопровод 16, второй перепускной трубопровод 18, клапанный узел 20, расположенный в нижней концевой области первого и второго стояков, и приводной узел 22, расположенный в верхней концевой области первого и второго стояков.
Первый стояк 12 включает в себя верхний жесткий цилиндрический трубный участок 12.1 и нижний гибкий трубный участок 12.2, который соединен с верхним жестким трубным участком 12.1. Верхний конец 24 верхнего трубного участка 12.1 открыт. Подобным образом второй стояк 14 включает в себя жесткий цилиндрический верхний трубный участок 14.1 и гибкий нижний трубный участок 14.2, который соединен с верхним трубным участком. Верхний конец 26 верхнего трубного участка 14.1 открыт. Нижние концевые области верхних трубных участков 12.1 и 14.1 являются резьбовыми для обеспечения соединения с нижними гибкими трубными участками 12.2 и 14.2 соответственно. Следует понимать, что конфигурация и конструкция трубных участков первого и второго стояков 12 и 14 будут зависеть от условий использования возвратно-поступательного насоса.
На верхних концах первого и второго стояков 12 и 14 расположены чаши 28 для сбора, чтобы обеспечивать сбор жидкости, выпускаемой из них, как будет подробно рассмотрено ниже.
Приводной узел 22 расположен над открытыми концами первого и второго стояков. Приводной узел 22 включает в себя пару плунжеров 30, каждый из которых расположен с возможностью перемещения в одном из первого и второго стояков 12 и 14 в их верхних концах для оказания направленного вниз насосного усилия на столбы жидкости в трубопроводах. Каждый плунжер 30 содержит полый цилиндрический корпус плунжера, имеющий закрытый верхний конец и открытый нижний конец, причем корпус плунжера образует несколько разнесенных по окружности выпускных щелей 31, через которые при использовании выпускается жидкость в чаши 28 для сбора. Наружный диаметр корпуса плунжера немного меньше внутреннего диаметра верхних участков трубопроводов, так что возможно скользящее перемещение корпуса плунжера в одном из трубопроводов.
Приводной узел дополнительно включает в себя механическую приводную систему 32, содержащую электродвигатель 34 с регулируемой скоростью вращения. К верхними концам плунжеров 30 и к коленчатому валу 36 присоединены соединительные штоки 38 для перемещения плунжеров вверх и вниз в стояках 12 и 14 при вращении коленчатого вала. Заявитель предполагает, что в конкретной области применения возвратно-поступательный насос будет включать в себя систему солнечных коллекторов и блок аккумуляторов, которые заряжаются системой солнечных коллекторов, обеспечивая питание для работы электродвигателя 34. Возвратно-поступательный насос дополнительно включает в себя опорную платформу 40, которая расположена над верхними концами первого и второго стояков 12 и 14, и опоры 42 коленчатого вала, установленные на опорной платформе для поддержания коленчатого вала с возможностью вращения. Для размещения коленчатого вала и соединительных штоков обеспечен кожух 44.
Возвратно-поступательный насос включает в себя систему 46 сбора жидкости, включающую в себя трубы 48 для сбора, которые обеспечивают слив жидкости, собранной в чашах 28 для сбора, и сливной трубопровод 50, в который стекает жидкость из труб 48 для сбора.
Клапанный узел расположен в резервуаре 55 с жидкостью, например, с перекачиваемой водой, и содержит трубный клапанный корпус 52, который проходит между нижними концами нижних трубных участков 12.2 и 14.2 первого и второго стояков. В частности, корпус образует первую клапанную камеру 54 и вторую клапанную камеру 56, которые изолированы друг от друга разделительной стенкой 57. Разделительная стенка 57 имеет форму диска и образует центральное отверстие. Первая клапанная камера 54 находится в сообщении по потоку со вторым стояком 14 через перепускной трубопровод 16, тогда как вторая клапанная камера 56 находится в сообщении по потоку с первым стояком 12 через перепускной трубопровод 18.
Клапанный корпус образует первое выпускное отверстие 58 и первое всасывающее отверстие 60 в первой клапанной камере 54. Выпускное отверстие 58 ведет в перепускной трубопровод 16, тогда как всасывающее отверстие 60 находится в перекачиваемой воде 55.
Клапанный корпус образует второе выпускное отверстие 62 и второе всасывающее отверстие 64 во второй клапанной камере 56. Выпускное отверстие 62 ведет в перепускной трубопровод 18, тогда как всасывающее отверстие 64 находится в перекачиваемой воде 55.
Клапанный узел включает в себя первый комплект клапанов для управления потоком воды через клапанную камеру 54, содержащий односторонний выпускной клапан 66, расположенный в выпускном отверстии 58, и односторонний всасывающий клапан 68, расположенный во всасывающем отверстии 60. В частности, выпускной клапан 66 позволяет поток воды из клапанной камеры 54 в перепускной трубопровод 16, но предотвращает обратный поток, тогда как всасывающий клапан 68 позволяет поток воды 55 в клапанную камеру 54 через всасывающее отверстие 60, но предотвращает обратный поток.
Клапанный узел включает в себя второй комплект клапанов для управления потоком воды через клапанную камеру 56, содержащий односторонний выпускной клапан 70, расположенный в выпускном отверстии 62, и односторонний всасывающий клапан 72, расположенный во всасывающем отверстии 64. В частности, выпускной клапан 70 позволяет поток воды из клапанной камеры 56 в перепускной трубопровод 18, но предотвращает обратный поток, тогда как всасывающий клапан 72 позволяет поток воды из резервуара 55 в клапанную камеру 56 через всасывающее отверстие 64, но предотвращает обратный поток.
Первый перепускной трубопровод 16 проходит между первым выпускным отверстием 58 и нижним трубным участком 14.2 вертикального стояка 14, обеспечивая сообщение по потоку между водой в первой клапанной камере 54 и водяным столбом во втором стояке 14.
Второй перепускной трубопровод 18 проходит между вторым выпускным отверстием 62 и нижним трубным участком 12.2 вертикального стояка 12, обеспечивая сообщение по потоку между водой во второй клапанной камере 56 и водой в первом стояке 12.
Клапанный узел дополнительно включает в себя первый поршень 74 и второй поршень 76, которые соединены друг с другом жестким поршневым штоком 78, который продолжается между противоположными внутренними сторонами поршней и который проходит через центральное отверстие, образованное для него в разделительной стенке 57. В отверстии разделительной стенки обеспечено водонепроницаемое уплотнение, и поршневой шток 78 принят в нем с возможностью скольжения. Конструкция выполнена так, что поршни выполнены с возможностью линейного возвратно-поступательного скользящего перемещения в клапанном корпусе. На внешние стороны поршней 74 и 76 воздействуют столбы воды в первом и втором стояках 12 и 14 соответственно. Таким образом, поршневой шток 78 выполнен с возможностью передачи усилия, оказываемого на один из поршней столбом воды, воздействующим на поршень, на другой поршень и, следовательно, на столб воды, упирающийся в другой поршень, как будет более подробно рассмотрено ниже.
В первом режиме работы возвратно-поступательного насоса, как проиллюстрировано на Фигуре 1, коленчатый вал 36 перемещает плунжер 30 вниз в столб воды в первом стояке 12, тем самым вызывая смещение поршня 74 влево в блокирующее положение в клапанной камере 54, в котором блокируется поток воды между всасывающим отверстием 60 и выпускным отверстием 58 клапанной камеры 54. Столб воды в первом стояке 12, воздействующий на поршень 74, приводит к тому, что усилие столба воды, воздействующего на поршень 74, передается на поршень 76 через поршневой шток 78, тем самым также смещая поршень 76 влево и оказывая подъемное усилие на столб воды во втором стояке 14. Столб воды во втором стояке 14 поднимается на ту же величину, на которую плунжер 30 опустил столб воды в первом стояке 12, вызывая подъем плунжера 30 во втором стояке 14. Плунжер в стояке 14 поднимается в положение, в котором верхняя концевая область плунжера 30 поднимается над верхним концом 26 стояка 14, так что щели 31 размещаются над верхним концом 26, в результате чего вода, вытесняемая вверх в стояке 14, выпускается из трубопровода через щели 31 в чашу 28 для сбора воды, расположенную на верхнем конце стояка 14. Выпущенная вода течет по соответствующей трубе для сбора воды в сливной трубопровод 50.
В первом режиме работы возвратно-поступательного насоса смещение поршня 76 влево приводит к падению давления в клапанной камере 56, вызывающему всасывание в камере, что приводит к всасыванию одностороннего всасывающего клапана 72 в открытое положение, позволяющее поток воды из резервуара 55 в клапанную камеру 56 через всасывающее отверстие 64. Падение давления в клапанной камере 56 также приводит к всасыванию одностороннего выпускного клапана 70 в его закрытое положение, предотвращающее поток воды в перепускной трубопровод 18. Кроме того, вода устремляется в перепускной трубопровод 18, оказывая закрывающее усилие на выпускной клапан 70.
Во втором режиме работы возвратно-поступательного насоса, как проиллюстрировано на Фигуре 2, коленчатый вал 36 перемещает плунжер 30 вниз в столб воды во втором стояке 14, тем самым вызывая смещение поршня 76 вправо в блокирующее положение в клапанной камере 56, в котором блокируется поток воды между всасывающим отверстием 64 и выпускным отверстием 62 клапанной камеры 56. Столб воды в стояке 14, воздействующий на поршень 76, приводит к тому, что усилие столба воды, воздействующего на поршень 76, передается на поршень 74 через поршневой шток 78, тем самым смещая поршень 74 вправо и оказывая подъемное усилие на столб воды в первом стояке 12. Столб воды в первом стояке 12 поднимается на ту же величину, на которую плунжер 30 опустил столб воды во втором стояке 14, вызывая подъем плунжера 30 в первом стояке 12. Плунжер в стояке 12 поднимается в положение, в котором верхняя концевая область плунжера 30 поднимается над верхним концом 24 стояка 12, так что щели 31 размещаются над верхним концом 24, в результате чего вода, вытесняемая вверх в первом стояке 12, выпускается из трубопровода через щели 31 в чашу 28 для сбора воды, расположенную на верхнем конце первого стояка 12. Выпущенная вода течет по соответствующей трубе для сбора воды в сливной трубопровод 50.
Во втором режиме работы возвратно-поступательного насоса, смещение поршня 74 вправо приводит к падению давления в клапанной камере 54, вызывающему всасывание в клапанной камере, что приводит к всасыванию одностороннего всасывающего клапана 68 в открытое положение, позволяющее поток воды из резервуара 55 в клапанную камеру 54 через всасывающее отверстие 60. Падение давления в клапанной камере 54 также приводит к всасыванию одностороннего выпускного клапана 66 в его закрытое положение, предотвращающее поток воды в перепускной трубопровод 16. Кроме того, вода устремляется в перепускной трубопровод 16, оказывая закрывающее усилие на выпускной клапан 66.
Следует понимать, что столбы воды в стояках 12 и 14 поднимаются и опускаются чередующимся маятниковым образом при поочередном воздействии плунжеров 30 на столбы воды. В связи с этим вода, всасываемая в камеры 54 и 56 в первом и втором режимах работы возвратно-поступательного насоса, как описано выше, поочередно направляется по перепускным трубопроводам 16 и 18 в стояки 14 и 12 соответственно при переключении насосного действия поршней 74 и 76 слева направо и наоборот. Вода, всасываемая в клапанные камеры 54 и 56, заменяет воду, выталкиваемую из верхних концов стояков 12 и 14.
Со ссылкой на Фигуры 8 и 9 чертежей другой вариант выполнения возвратно-поступательного насоса в соответствии с изобретением обозначен ссылочной позицией 100.
Возвратно-поступательный насос 100 работает по тому же принципу, что и возвратно-поступательный насос 10, с единственным отличием, заключающимся в том, что возвратно-поступательный насос 100 использует другое средство передачи усилия для передачи усилия, оказываемого на один из поршней столбом воды, воздействующим на поршень, на другой поршень и, следовательно, на столб воды, упирающийся в другой поршень. В связи с этим на Фигурах 8 и 9 те же и/или подобные ссылочные позиции используются для обозначения элементов возвратно-поступательного насоса 100, которые аналогичны и/или подобны элементам возвратно-поступательного насоса 10. На Фигурах 8 и 9 показаны только нижние концы стояков 12 и 14 и клапанный узел, поскольку верхние области стояков 12 и 14 и приводной узел возвратно-поступательного насоса 100 идентичны верхним областям стояков 12 и 14 и приводному узлу возвратно-поступательного насоса 10.
Возвратно-поступательный насос 100 имеет клапанный узел 120, расположенный в нижней концевой области первого и второго стояков 12, 14. Вместо поршневого штока 78 возвратно-поступательного насоса 10 клапанный узел 120 включает в себя систему 178 передачи усилия, содержащую трубопровод 152, который проходит между клапанными камерами 54 и 56, и в котором в ряд расположено множество сфер 82 с возможностью перемещения во внутренней направляющей трубе 190. Направляющая труба 190 содержит смазочное масло для уменьшения трения при перемещении сфер в трубе. Система передачи усилия включает в себя первый толкающий шток 80.1, продолжающийся от внутреннего конца поршня 74, и второй толкающий шток 80.2, продолжающийся от внутреннего конца поршня 76, причем толкающие штоки 80.1 и 80.2 имеют упорные образования 82.1 и 82.2 соответственно для воздействия на сферы 82 на противоположных концах ряда сфер, находящихся в направляющей трубе 190. Сферы 82 образуют водонепроницаемое уплотнение в направляющей трубе 190 и работают подобно поршневому штоку 78 возвратно-поступательного насоса 10 для передачи усилия, оказываемого на поршень 74 и 76 столбами воды, воздействующими на него, друг на друга, как и в случае возвратно-поступательного насоса 10.
Так как без воздействия внешних усилий вода в стояках 12 и 14 находится в равновесии, количество энергии, необходимое для перекачивания воды, относительно невелико, поскольку требуется только энергия достаточная для подъема измеренного объема перекачиваемой воды. Следует понимать, что размер и объемная производительность возвратно-поступательного насоса могут быть изменены в зависимости от требований области применения, в которой используется возвратно-поступательный насос.