СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPERATING PISTON PUMP-COMPRESSOR AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.
Известен способ работы поршневого насоса-компрессора, заключающийся в попеременном сжатии и подаче потребителю газа из надпоршневой полости, сжатии жидкости в подпоршневой полости и подаче ее потребителю (см. патент РФ №118371, МКИ F04B 19/06 от 20.07.2012).
Известен также способ работы поршневого насоса-компрессора, заключающийся в попеременном всасывании, сжатии и подаче потребителю газа из надпоршневой полости, и всасывании и сжатии жидкости в подпоршневой полости и подаче ее потребителю, причем подача сжатого газа потребителю осуществляется через самодействующий нагнетательный клапан и линию нагнетания газа, а подача жидкости потребителю осуществляется через линию нагнетания жидкости (см., например, Патент РФ №125635 на полезную модель «Поршневой насос-компрессор», МПК F04B 19/06, заявл. 24.09.2012, опубл. 10.03.2013).
Недостатком известных способов является высокая вероятность гидроудара, возникающая из-за того, что в начальный момент пуска насоса-компрессора, когда избыточное давление в линии нагнетания газа еще отсутствует (равно атмосферному), а давление жидкости в жидкостной линии нагнетания уже есть, жидкость при возвратно-поступательном движении поршня через уплотнение между поршнем и цилиндром в большом количестве проникает в газовую полость агрегата, и как только ее объем превышает мертвый объем газовой полости, происходит гидроудар. Это особенно актуально в том случае, когда давление жидкости в жидкостной линии нагнетания существенно превышает атмосферное давление. В результате гидроудара происходит разрушение клапанной коробки газовой полости и выход агрегата из строя с полной потерей работоспособности. Аналогичное явление возникает и в том случае, когда по каким-либо причинам (повреждение газового нагнетательного трубопровода, излишне высокое потребление газа) давление в нагнетательном газовом трубопроводе становится очень низким.
Технической задачей изобретения является повышение работоспособности насоса-компрессора путем исключения возможности гидроудара в процессе его пуска и работы при пониженном давлении газа.
Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе работы насоса-компрессора согласно изобретению сопротивление линии нагнетания газа изменяют в соответствии с давлением нагнетания жидкости.
Это изменение сопротивления могут осуществлять путем воздействия на газовый нагнетательный клапан, изменяя величину его открытия, или изменением проходного сечения линии нагнетания газа.
В поршневом насосе-компрессоре для осуществления указанного способа, содержащем цилиндр с установленным в нем поршнем, делящим цилиндр на газовую и жидкостную полости, соединенные соответственно с линиями всасывания газа и жидкости через всасывающие самодействующие клапаны, и с линиями нагнетания газа и жидкости через нагнетательные самодействующие клапаны, причем газовый нагнетательный клапан имеет ограничитель подъема, согласно изобретению этот ограничитель подъема выполнен в виде сильфона с торцовой частью, обращенной в сторону газового нагнетательного клапана, и внутренняя полость которого подключена к жидкостной линии нагнетания. Изменение сопротивления газовой линии нагнетания также может быть создано в известном насосе-компрессоре за счет установки в этой линии подпружиненного поршня, размещенного одним концом в цилиндре, соединенном с жидкостной линией нагнетания, а другой конец которого размещен непосредственно в трубопроводе линии нагнетания с возможностью частичного перекрытия этой линии, причем действие пружины направлено против действия давления в жидкостной линии нагнетания.
Сущность изобретения поясняется на примере работы двух конструктивных вариантов насосов-компрессоров, схематично изображенных на чертежах.
На фиг. 1 изображена схема поршневого насоса-компрессора с устройством для изменения хода запорного элемента газового нагнетательного клапана для изменения гидравлического сопротивления линии нагнетания.
На фиг. 2 изображена схема поршневого насоса-компрессора с устройством для изменения гидравлического сопротивления линии нагнетания за счет установки подпружиненного поршня, частично перекрывающего сечение линии нагнетания.
Насос-компрессор (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с установленным в нем с зазором поршнем 2, делящим цилиндр 1 на газовую 3 и жидкостную 4 полости, которые имеют газовую линию всасывания 5, соединенную с газовой полостью 3 через самодействующий клапан 6, и с линией нагнетания газа 7 через самодействующий клапан 8, жидкостную линию всасывания 9, соединенную с полостью 4 через самодействующий клапан 10, и жидкостную линию нагнетания 11, соединенную с полостью 4 через самодействующий клапан 12. В линию нагнетания газа 7 встроен ресивер 13 с манометром 14 и вентилем 15, через который газ подается потребителю. На линии нагнетания жидкости 11 установлен воздушный колпак 16, являющийся частью линии нагнетания жидкости 11 и снижающий пульсации давления нагнетаемой жидкости, верхняя (газовая) часть которого через пневмопровод подключена к внутренней полости ограничителя подъема 17 нагнетательного клапана 8. Ограничитель подъема 17 выполнен в виде сильфона с торцовой частью, обращенной в сторону клапана 9. Пластина 18 с отверстием, в которое входит клапан 8, служит для ограничения движения торцовой части сильфона 17 в сторону клапана 8, при этом обеспечивается минимальное проходное сечение клапана 8 при положении торца сильфона 17 в крайнем нижнем положении, когда он уперт в пластину 18. В этой конструкции изменение гидравлического сопротивления в линии нагнетания 7 газа организовано путем изменения усилия, действующего на клапан 8 в сторону его закрытия со стороны линии нагнетания жидкости 11 - чем больше это усилие, тем выше гидравлическое сопротивление линии нагнетания газа 7.
В насосе-компрессоре, изображенном на фиг. 2, в линии нагнетания газа 7 установлен подпружиненный пружиной сжатия 19 поршень 20, размещенный одним (нижним) концом в цилиндре 21, соединенном с воздушным колпаком 16 линии нагнетания 17, а другим (верхним) концом - непосредственно в трубопроводе линии нагнетания газа 7, причем этот верхний конец своим торцом частично перекрывает линию нагнетания 7, для чего напротив этого торца установлена ответная торцу плоская бобышка 22 с ограничителем движения поршня 20 в виде выступа 23. Действие пружины 19 направлено против действия давления жидкости на поршень со стороны линии нагнетания 11. В этой конструкции изменение гидравлического сопротивления в линии нагнетания 7 газа организовано путем воздействия на поршень 20 давления жидкости с образованием щели переменного сопротивления - чем больше разность между давлением жидкости и давления газа, тем больше гидравлическое сопротивление щели и, следовательно, тем больше гидравлическое сопротивление линии нагнетания газа 7.
Способ работы поршневого насоса-компрессора осуществляется следующим образом (фиг. 1). При пуске насоса-компрессора, как правило, гидравлическая линия 11 уже находится под давлением нагнетания в связи со слабой сжимаемостью жидкости и ее высокой вязкостью, а газовая линия нагнетания 7 - под атмосферным давлением в связи с неизбежными утечками маловязкого рабочего тела - газа - через вентиль 15 и клапан 8 во время остановки насоса-компрессора, которая может быть неопределенно долгой.
При возвратно-поступательном движении поршня 2 объем жидкостной полости 4 попеременно увеличивается (происходит открытие клапана 10 и всасывание жидкости из линии всасывания 9) и уменьшается (происходит нагнетание жидкости через клапан 12 в линию нагнетания 11) и подача потребителю под давлением. Пульсация давления жидкости, возникающая в связи с неравномерной ее подачей, гасится газом, находящимся под давлением нагнетания жидкости в верхней части воздушного колпака 16. При ходе поршня 2 вниз, когда происходит сжатие жидкости в камере 4 и ее нагнетание потребителю, жидкость из камеры 4 поднимается в зазоре между поршнем 2 и цилиндром 1.
Одновременно в связи с попеременным изменением объема газовой полости 3 при ее увеличении происходит всасывание газа через клапан 6 из линии всасывания 5, его сжатие и подача потребителю через клапан 8, линию нагнетания 7 с ресивером 13. Поскольку в начальный момент работы насоса-компрессора в ресивере 13 давление равно атмосферному, вентиль 15 закрыт и оператор отрывает его только после того, как манометр 14 покажет номинальное давление нагнетания газа, обусловленное работой потребителя газа.
Таким образом, на первых же ходах поршня 2 в линии нагнетания жидкости 11 устанавливается номинальное давление жидкости, а в линии нагнетания газа 7 остается практически атмосферное давление. При этом давление из линии нагнетания жидкости 11 через колпак 16 и находящийся в его верхней части газ подается в полость сильфона 17, который расширяется, не имея противодавления со стороны линии нагнетания газа 7, упирается в пластину 18, ограничивающую его движение, и своей торцовой частью ограничивает возможность подъема клапана 8, в связи с чем клапан 8 открывается на минимальную величину (становится «прикрытым»), что приводит к увеличению его гидравлического сопротивления и повышению давления в камере 3 при ходе поршня 2 в процессе сжатия-нагнетания (ход вверх). Это повышенное давление «выдавливает» жидкость из зазора между поршнем 2 и цилиндром 1 вниз в сторону камеры 4, не давая ей попасть в камеру 3 и создать условия возникновения гидроудара.
Прошедший через «прикрытый» клапан 8 газ попадает в ресивер 13, постепенно повышая в нем от хода к ходу поршня 2 давление, при этом растет, соответственно, и давление в линии нагнетания 7, действующее на нижний торец сильфона 17. Постепенно давление в линии нагнетания 7 возрастает до такой величины, когда перепад давления между полостью сильфона 17 и линией нагнетания газа 7 становится небольшим и сильфон 17 под действием сил упругости своего материала отходит от пластины 18, увеличивая возможное открытие клапана 8. Этот процесс по мере роста давления газа в линии нагнетания 7 продолжается до тех пор, пока сильфон 17 полностью не освободит клапан 8, который начинает работать в штатном режиме. В это время давление газа в ресивере 13 становится равным номинальному давлению нагнетания газа и оператор открывает вентиль 15, начинается снабжение сжатым газом потребителя.
В том случае, если по каким-либо причинам (рост потребления газа, разрыв или повреждение газовой линии нагнетания 7) давление нагнетания газа существенно уменьшается, снова возникает угроза гидроудара, которая предотвращается тем, что под действием возникшего большого перепада давления на сильфоне 17 он прижимает клапан 8 к седлу, увеличивая сопротивление нагнетательной линии 7 в зоне между клапаном 8 и ресивером 13.
Работа конструкции, показанной на фиг. 2, происходит аналогично вышеописанной. Здесь повышенное давление газа в полости 3 (во время пуска насоса-компрессора или при падении давления газа в линии нагнетания 7 во время работы насоса-компрессора по вышеуказанным причинам) обеспечивается уменьшением вплоть до минимума проходного сечения щели, образованной верхним торцом поднятого поршня 20 и поверхности бобышки 22. Минимальное сечение щели (независимо от перепада давления между линиями нагнетания 11 и 7) обеспечивается выступом 23. В процессе пуска насоса-компрессора или при падении давления газа по сравнению с давлением жидкости под действием перепада давления между линиями 11 и 7 и соответственно на поршне 20 этот поршень поднимается и упирается в выступ 23. При повышении давления в линии 7 перепад давления на поршне 20 снижается и пружина 19 отодвигает его, гидравлическое сопротивление щели между торцом поршня 20 и бобышкой 22 снижается.
Таким образом, благодаря наличию переменного гидравлического сопротивления в газовой линии нагнетания в процессе пуска насоса-компрессора, с самого начала его работы в газовой полости создается давление, необходимое для предотвращения попадания жидкости из жидкостной полости в газовую, что позволяет предотвратить возможность гидроудара и повысить работоспособность насоса-компрессора. При падении давления газа вследствие увеличения расхода его потребителем или при нарушении работы линии нагнетания (повреждение, разрыв), вызывающем падение давления в линии 7 нагнетания газа, в полости 3 автоматически поддерживается давление газа, препятствующее проникновению большого количества жидкости из полости 4 в полость 3 через зазор между поршнем 2 и цилиндром 1, что также предотвращает гидроудар.
Таким образом, техническая задача изобретения - повышение работоспособности насоса-компрессора путем исключения возможности гидроудара в процессе его пуска и работы при пониженном давлении газа - полностью выполнена.