АКСИАЛЬНО-ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ
AXIAL PLUNGER PUMP WITH POWER RECOVERY

Область техники
Настоящее изобретение относится к многоцилиндровым поршневым насосам с вращающимся блоком цилиндров, в частности, используемых в устройствах обратного осмоса и предусматривающих рекуперацию энергии.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известен, см. патент US7799221, опубликованный 21.09.2010, способ рекуперации энергии в аксиально-плунжерном насосе, включающем ротор с блоком цилиндров, выполненными с каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для жидкости, перекачиваемой плунжерами, перемещаемыми по гармоническому (косинусоидальному) закону, и каналами, соединенными с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии.
Используемый гармонический закон предполагает существенное изменение скорости плунжера и, соответственно, перепад давления выталкиваемой перекачиваемой жидкости. А использование только участка значений функции гармонического закона, соответствующего наиболее быстрому и равномерному перемещению плунжера, приводит к увеличению интервала времени перехода от всасывания перекачиваемой жидкости к ее выталкиванию, увеличению трения и увеличению затрат энергии.
Из уровня техники известен, см. патент РФ 145663, опубликованный 27.09.2014, аксиально-плунжерный насос с рекуперацией энергии, включающий ротор с плунжерами-втулками и блоком цилиндров, выполненным с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для перекачиваемой жидкости, и каналами, соединенными с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, выполненный с каналами для перекачиваемой жидкости и каналами для жидкости, используемой для рекуперации энергии. Плунжеры-втулки используются для адаптации насоса к объему поступающей в надплунжерную полость жидкости, используемой для рекуперации энергии.
В патентном документе не раскрыто функционирование аксиально-плунжерного насоса с рекуперацией энергии. А конструкция аксиально-плунжерного насоса не предусматривает уменьшение перепада давления выталкиваемой перекачиваемой жидкости.
Раскрытие изобретения
В заявленном изобретении достигаемый технический результат заключается в сокращении интервала времени перехода от заполнения цилиндров ротора аксиально-плунжерного насоса перекачиваемой жидкостью к выталкиванию перекачиваемой жидкости из цилиндров (перехода через мертвую точку) за счет увеличения давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости цилиндра. При этом также обеспечивается адаптация объема надплунжерной полости к объему жидкости, используемой для рекуперации энергии, зависящий, в частности, от солености воды, опресняемой в установке обратного осмоса, в состав которой входит аксиально плунжерный насос.
остальную
Указанные технические результаты достигаются в способе рекуперацией энергии в аксиально-плунжерном насосе, включающем ротор с блоком цилиндров выполненными каждый с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров, заполняемой жидкостью, выталкиваемой плунжерами, перемещаемыми в цилиндрах по гармоническому (косинусоидальному) закону, и с надплунжерной полостью цилиндров, заполняемой жидкостью для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, при этом используют дополнительные плунжеры, выполненные каждый в форме втулки, примыкающей наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, и в начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра перемещают плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, при этом плунжером-втулкой выталкивают из подплунжерной полости цилиндра часть (большую часть, пока плунжер-втулка обгоняет плунжер, перемещаемый по гармоническому закону) перекачиваемой жидкости, а затем,  часть перекачиваемой жидкости выталкивают из подплунжерной полости цилиндра плунжером, увеличившим свою скорость в цилиндре в соответствии с гармоническим законом.
В начале выталкивания перекачиваемой жидкости из каждого цилиндра можно перемещать плунжер-втулку жидкостью, используемой для рекуперации энергии, вдоль плунжера, перемещаемого по гармоническому закону, до упора плунжера-втулки в неподвижную втулку, вставленную в каждый цилиндр и соединяющую блок цилиндров с диском ротора, контактирующего со статором.
Можно контролировать превышение заданного значения давления жидкости, используемой для рекуперации энергии и поступающей в канал, соединенный с надплунжерной полостью цилиндра, и, используя клапан, сбрасывать избыточный объем жидкости, используемой для рекуперации энергии. В частности, сбрасывать избыточный объем жидкости, используемой для рекуперации энергии, можно из канала статора, используемого для подвода этой жидкости и периодически соединяемого с соответствующим каналом ротора и надплунжерной полостью цилиндра, в другой канал статора, используемый для отвода этой жидкости из канала ротора и надплунжерной полости цилиндра.
Указанные технические результаты достигаются в аксиально-плунжерном насосе с рекуперацией энергии, включающим ротор с плунжерами, перемещаемыми каждый по гармоническому (косинусоидальному) закону и блоком цилиндров, выполненным с открытыми с торца ротора каналами, соединенными с подплунжерной полостью цилиндров для перекачиваемой жидкости, и с надплунжерной полостью цилиндров для жидкости, используемой для рекуперации энергии, и контактирующий с торцом ротора статор, выполненный с отверстиями (каналами) дугообразной формы вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора, при этом открытые в торце ротора каналы для перекачиваемой жидкости периодически, при вращении ротора, совпадают с отверстиями статора для забора и выталкивания перекачиваемой жидкости, расположенными вдоль окружности большего диаметра, а открытые в торце ротора каналы для жидкости, используемой для рекуперации энергии, при этом совпадают с отверстиями, соответственно, для выталкивания и забора жидкости, используемой для рекуперации энергии, расположенными вдоль окружности меньшего диаметра, при этом ротор включает дополнительные плунжеры, выполненные в форме втулки, установленные с возможностью скольжения относительно цилиндра и плунжера, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону под воздействием перекачиваемой жидкости и жидкости, используемой для рекуперации энергии, примыкающие наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону, а для опережающего выталкивания перекачиваемой жидкости из цилиндра плунжером, выполненным в форме втулки, начало частичного совпадения сквозного отверстия статора для выталкиваемой (из цилиндров) перекачиваемой жидкости и открытого в торце ротора канала, соединенного с подплунжерной полостью цилиндра, соответствует, по меньшей мере, частичному совпадению отверстия статора для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии, и открытого в торце ротора канала, соединенного с надплунжерной полостью этого цилиндра.
Взаимное расположение отверстий дугообразной формы статора для выталкиваемой из цилиндров перекачиваемой жидкости и подачи в цилиндры жидкости, используемой для рекуперации энергии, относительно соответствующих каналов ротора обеспечивает увеличения давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из цилиндра.
В статоре может быть установлен регулировочный клапан, соединяющий отверстие в статоре для подаваемой в ротор жидкости, используемой для рекуперации энергии, с отверстием в статоре для отводимой из ротора жидкости, используемой для рекуперации энергии.
На внутренней и наружной цилиндрических поверхностях плунжеров-втулок может быть нанесен микрорельеф в виде винтовых канавок для смазки и охлаждения перекачиваемой жидкостью цилиндрических поверхностей плунжеров и цилиндра.
Плунжеры, перемещаемые в цилиндрах по гармоническому (косинусоидальному) закону, могут быть снабжены упругим упором, ограничивающим перемещение плунжера-втулки в направлении надплунжерной полости - обратном направлению выталкивания перекачиваемой жидкости.
Ротор может включать контактирующий со статором диск, выполненный с отверстиями, являющимися частями каналов ротора, соединенными с подплунжерными и надплунжерными полостями цилиндров, и с установленными в отверстиях диска втулками с уплотняющими манжетами, вставленными в соответствующие отверстия блока цилиндров.
Втулки позволяют сохранять равномерный зазор между диском ротора и статором независимо от колебательных движений блока цилиндров ротора.
Торцевая поверхность блока цилиндров со стороны противоположной стороне расположения диска ротора может быть выполнена с тангенциальными канавками, обеспечивающими циркуляцию жидкости внутри насоса для охлаждения и смазки трущихся поверхностей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан заявленный аксиально-плунжерный насос в разрезе.
На фиг. 2 показана плита статора с отверстиями дугообразной формы, вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора, для забора и выталкивания перекачиваемой жидкости, расположенными вдоль окружности большего диаметра, и для выталкивания и забора жидкости, используемой для рекуперации энергии, расположенными вдоль окружности меньшего диаметра. Пунктиром показаны открытые в торце ротора каналы для перекачиваемой жидкости. Открытый в торце ротора канал, соединенный с подплунжерной полостью цилиндра только начинает частично совпадать со сквозным отверстием статора для выталкиваемой из цилиндра перекачиваемой жидкости, а открытый в торце ротора канал, соединенный с надплунжерной полостью этого цилиндра уже частично совпадает с отверстием статора для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии.
Реализация изобретения
Представленный на фиг. 1 аксиально-плунжерный насос включает корпус (статор) 1 и приводимый во вращение валом 2 ротор с блоком цилиндров 3, установленным в корпусе 1 посредством подшипникового узла 4, и диском 5, соединенным с блоком цилиндров 3 втулками 6 с манжетами 7 и прижимаемым к плите 8 статора 1 пружиной 9, демпфирующей колебания блока цилиндров 3. Перечисленные элементы насоса, в том числе, втулки 6, но кроме манжет 7 и подшипникового узла 4, изготовлены, предпочтительно, из коррозионно-стойкой стали. Манжеты 7 и подшипниковый узел 4 изготовлены из антифрикционного и антипригарного полимерного материала, например, из тефлона.
Плунжеры 10 установлены каждый в сферическом сочленении 11 на опорном подпятнике 12, скользящим по поверхности наклонной шайбы 13 и обеспечивающим тем самым перемещение каждого плунжера 10 в цилиндре в соответствии с косинусоидальным (гармоническим) законом.
Плунжеры 14 выполнены каждый в форме втулки и установлены с возможностью скольжения относительно цилиндра и плунжера 10, перемещаемого по гармоническому (косинусоидальному) закону. Плунжеры-втулки 14 примыкают наружной цилиндрической поверхностью к стенке цилиндра, а внутренней цилиндрической поверхностью к цилиндрической поверхности плунжера 10. На внутреннею и наружную поверхности плунжера-втулки 14 нанесен микрорельеф в виде винтовых канавок для смазки и охлаждение перекачиваемой жидкостью поверхностей цилиндра и плунжеров 10 и 14. Плунжеры втулки 14 изготовлены из антифрикционного полимерного материала.
Перекачиваемая жидкость подводится в подплунжерные полости 15 цилиндров через канал (d), проходящий через отверстие в плите 8, отверстие в диске 5 ротора и втулку 6. При этом из надплунжерной полости 16 отводится жидкость, используемая для рекуперации энергии, через канал (с), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8.
Выталкивание перекачиваемой жидкости под повышенным давлением из подплунжерной полости 15 цилиндров осуществляется через канал (a), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8. При этом через канал (b), проходящий через втулку 6, отверстие в диске 5 ротора и отверстие в плите 8 в надплунжерную полость 16 подводится жидкость, используемая для рекуперации энергии.
Перекачиваемая жидкость, например, морская вода, подается аксиально-плунжерным насосом под высоким давлением в обратноосмотическую мембрану. Концентрат, отводимый из обратноосмотической мембраны, является жидкостью, используемая для рекуперации энергии в аксиально-плунжерном насосе.
В заявленном техническом решении используются два плунжера в каждом цилиндре ротора. Дополнительный второй плунжер, перемещаемый жидкостью, используемой для рекуперации энергии, увеличивает давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости, когда скорость первого плунжера, перемещаемого в соответствии с косинусоидальным законом, близка к нулю. Тем самым, использование двух плунжеров позволяет раньше начинать выталкивание перекачиваемой жидкости из подплужерной полости и предполагает для этого более раннее поступление в надплунжерную полость жидкости, используемой для рекуперации энергии. Поэтому, по сравнению с техническим решением, раскрытым в US7799221, в заявленном техническом решении изменено взаимное расположение в торце ротора отверстий каналов, соединенных с подплунжерной и надплунжерной полостями цилиндра.
На фиг. 2 показана плита 8 статора 1 с отверстиями 17, 18, 19 и 20 дугообразной формы, вытянутой вдоль двух концентричных окружностей на поверхности контактирующей с торцом ротора. Отверстия 17 и 18 предназначены, соответственно, для выталкивания и забора перекачиваемой жидкости и расположены вдоль окружности большего диаметра. Отверстия 19 и 20 предназначены, соответственно, для забора и выталкивания жидкости, используемой для рекуперации энергии, и расположены вдоль окружности меньшего диаметра. Предполагается, что ротор (блок цилиндров 3 с диском 5) вращается относительно плиты 8 по часовой стрелке. Пунктиром показаны отверстия открытых в торце ротора каналов 21, 22, 23, 24 и 25 для перекачиваемой жидкости и отверстия, открытых в торце ротора каналов 26, 27, 28, 29 и 30 для жидкости, используемой для рекуперации энергии. Открытый в торце ротора канал 21, соединенный с подплунжерной полостью цилиндра только начинает частично совпадать с отверстием 17 статора для выталкиваемой из цилиндра перекачиваемой жидкости, а открытый в торце ротора канал 26, соединенный с надплунжерной полостью этого цилиндра, уже частично совпадает с отверстием статора 19 для подачи жидкости, используемой для рекуперации энергии. Плунжер-втулка 14 начнет выталкивание перекачиваемой жидкости под действием давления жидкости, используемой для рекуперации энергии, сразу с началом частичного совпадения открытого в торце ротора канала 21 с отверстием 17 статора, в то время, как скорость первого плунжера 10 в соответствии с косинусоидальным законом имеет значение близкое к нулю.
Возможным вариантом реализации изобретения является следующие действия:
1) с начала выталкивают перекачиваемую жидкость из каждого цилиндра плунжером-втулкой 14 до упора плунжера-втулки в неподвижную втулку 6, вставленную в каждый цилиндр и соединяющую блок цилиндров 3 с диском 5 ротора, контактирующего с плитой 8 статора 1, а затем
2) выталкивают перекачиваемую жидкость из каждого цилиндра плунжером 10, увеличившим скорость в соответствии с косиносуидальным законом, и при воздействии на него жидкости, используемой для рекуперации энергии.
Увеличение давления перекачиваемой жидкости в самом начале ее выталкивания из подплунжерной полости 15 цилиндра позволяет приблизить отверстие 17 в плите 8 статора к так называемой «мертвой точке» 31 и сократить интервал времени перехода от заполнения цилиндров ротора аксиально-плунжерного насоса перекачиваемой жидкостью до начала выталкивания перекачиваемой жидкости из цилиндров. Соответственно, сокращается время торможения ротора, испытываемого им на указанном временном интервале.
Для предотвращения избыточного давления в надплунжерной полости 16 в плите 8 статора установлен регулировочный клапан 32, через который отверстие в плите 8 (канал b) для подаваемой в ротор жидкости, используемой для рекуперации энергии, соединяется с отверстием (канал c) в плите 8 для отводимой из ротора жидкости, используемой для рекуперации энергии. А для ограничения перемещения плунжера-втулки 14 в направлении надплунжерной полости, плунжеры 10 снабжены упором 33, выполненного упругим для демпфирования удара плунжера-втулки 14 об ограничитель при его обратном ходе.
Вращение блоку цилиндров сообщается через вал 2. Подшипниковый узел скольжения 2 воспринимает неуравновешенную нагрузку от блока цилиндров, возникающую из-за движения плунжеров 10, в радиальном и осевом направлении без нарушения равномерного зазора между плоскими поверхностями диска 5 ротора и плиты 8 статора 1.
Блок цилиндров 3 и диск 5 ротора сопрягаются между собой без потери герметичности с использованием соединительных втулок 6 с уплотняющими манжетами 7 при этом втулки 6 выполнены за одно целое с диском 5 ротора, а уплотняющие манжеты 7 выполнены из материала с низким коэффициентом трения. Тем самым обеспечивается сохранение равномерного зазора между диском 5 ротора и блоком цилиндров 3, независимо от колебательных движений блока цилиндров.
Неизменность равномерного зазора между плоскими поверхностями диска 5 ротора и плиты 8 обеспечивается тем, что пружина 9 прижимает диск 5 ротора к плите 8.
Корпус (статор) 1 насоса заполняется перекачиваемой жидкостью через подводящий канал (е), соединяющий полость корпуса насоса и канал (d).
На поверхность торца блока цилиндров 3 нанесены тангенциальные пазы 32, обеспечивающие циркуляцию жидкости внутри корпуса 1 при вращении ротора, создавая направленную циркуляцию жидкости в корпусе 1, осуществляя тем самым смазку и охлаждение подшипникового узла 4.