Герметичный поршневой насос

 

Использование: перекачивание агрессивных , токсичных и тому подобных жидкостей со стабилизацией давления .перекачивания. Сущность изобретения: при работе насоса шток 2 совместно с основным поршнем 3 совершает в цилиндре 1 возвратно-поступательное изменение объема рабочей камеры 16 и перекачивание жидкости, при этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 10, что вызывает переменное по направлению течение жидкости в каналах 11 и. 19. В период такта всасывания ограничитель 4 контактирует со штоком 2, а пружина 17 воздействует на упор 15 затвора 13, при этом между седлом 12 и затвором 13 всасывающего клапана имеется щель, через которую жидкость поступает в рабочую камеру. В период такта нагнетания ограничитель 5 поршня 3 контактирует со штоком 2, а пружина 17 прижимает затвор 13 к седлу 12. При недопустимом повышении давления затвор 13, преодолевая усилие пружины 17, смещается относительно поршня 3 в сторону мембранной камеры 10 и между затвором 13 и седлом 12 образуется дросселирующая щель. По мере повышения давления смещение затвора 13 увеличивается, что сопровождается увеличением сопротивления дросселирующей щели между уплотнительными поясками 18 и 20.и увеличением объема жидкости, перепускаемой из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

И Ц U 7j

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) . (21) 4795540/29 . (22) 26,02.90 . (46) 23.03.93. Бюл. Рв 11 (71) В сесоюзн ый научно-исследо вател ьский, проектный, конструкторский и технологический институт гидромашиностроения (72) Т.В.Ким, Я.Л.Любин и М,А.Рогунов . (56) Авторское свидетельство СССР

М 1476185, кл. F 04 В 21/02, 1987; (54) ГЕРМЕТИЧНЫЙ ПОРШНЕВОЙ НАСОС . (57) Использование: перекачивание агрессивных, токсичных и тому подобных жидкостей . со стабилизацией давления . перекачивания. Сущность изобретения: при . работе насоса шток 2 совместно с основным поршнем 3 совершает в цилинДре 1 возвратно-поступательное изменение обьема рабочей камеры 16 и перекачивание жидкости, при этом имеет место циклическое изменение обьема мембранной камеры 10, что вызывает переменное по направлению

„„5U„„1803606 А1 (я)5 F 04 В 49/02, 21/02 течение жидкости в каналах 11 и 19. В период такта всасывания ограничитель 4 контактирует со штоком 2, а пружина 17 воздействует на упор 15 затвора 13, при этом между седлом 12 и затвором 13 всасывающего клапана имеется щель, через которую жидкость поступает в рабоЧую камеру.

В период такта нагнетания ограничитель 5 поршня 3 контактирует со штоком 2, а пружина 17 прижимает затвор 13 к седлу 12.

При недопустимом повышении давления затвор 13, преодолевая усилие пружины 17, смещается относительно поршня 3 в сторону мембранной камеры 10 и между затвором

13 и седлом 12 образуется дросселирующая щель, По мере повышения давления смещение затвора 13 увеличивается, что сопро-. вождается увеличением сопротивления дросселирующей щели между уплотйительными поясками 18 и 20 и увеличением объема жидкости; перепускаемой из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9, 2 ил.

1803606 Изобретение относится к насосостроению, а точнее к герметичным насосам, предназначенным для перекачивэния агрессивных, токсичных и других жидкостей в гидросистемах и стабилизации в них давле. ния.

Известен герметичный поршневой насос, содержащий размещенные в цилиндре шток с основным и дополнительным порш- нями, в первом иэ которых установлен всасывающий клапан, включающий "едло в теле поршня и нагруженный пружиной затвор с хвостовиком, обращенным в сторону штока, герметизирующую мембрану, установленную между цилиндром и штоком с образованием в совокупности с основным и. дополнительным поршнями мембранной, всасывающей и рабочей камер, причем дополнительный поршень имеет отверстия для соединения мембранной и всасывающей камер (1).

При работе такого насоса происходит периодическое изменение объема мембранной камеры, что приводит к появлению в каналах дополнительного поршня переменного по направлению течения жидкости.

В результате этого давление в мембранной камере по сравнению с давлением во всасывающей камере увеличивается при всасывании и уменьшается при нагнетании, Этим при определенном соотношении площадей основного поршня, дополнительного поршня и герметизирующей мембраны достигается коррекция перепада давления на герметифрующей мембране, В результате. такой коррекции обеспечивается остоянство направления перепада давления на герметизирующей мембране и устанавливается значение этого перепада, наиболее. благоприятное для работы герметизирую.щей мембраны, Однако при ограничении давления в гидросистеме за счет перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую камеру при перенагрузке по давлению не позволяет обеспечить надежную работу герметизирующей мембраны. Это объясняется следующим. Но время всасывания расход Ок в каналах дополнительного поршня описывается уравнением;

Ок = чв(Е1 Е2), где ve — скорость штока во время всасывания;

F1 — эффективная площадь герметизирующей мембраны с учетом площади ее жесткого центра;

Ег — площадь дополнительного поршня.

Расход жидкости Qe во всасывающей линии во время всасывания:

Qe veF3 — 1 в(Ез — F2) — Ок. (2) где Ез — площадь основного поршня насоса, Давление Рм в мембранной камере насоса во время всасывания:

Рм = Po P ve (бвЕ1 G»(F2— г (4) Qe = н(Ез — F2) + Ок, (5) 25 где чн — скорость . штока во время нагнетания.

Давление в мембранной камере во время нагнетания:

Рм = Po -P vH (6.(Ез — F»/Ез - F1/+ г

+ G«(F2 F1)/F2 F1/).. (6) . При: повышенном давлении в гидросистеме во время перепуска жидкости из ра35 бочей камеры во всасывающую линию уравнение (4} сохраняет справедливость, а расход во всасывающей линии опишется уравнением:

Qe = чн(ез е2)+ Ок янез (7)

Давление Р при этом определится по уравнению;

Р„= Р, + Рчнг(6,Е1 — 6,(Е2— (8) Е1)/F2 Е1/).

Анализ уравнений (3), (6), (8) показывает, что условия постоянства направления перепара давления на герметизирующей мембране для номинального режима работы имеет вид:

Sign(GeF1 G„(F2.—, F1) F2 — Е1/)= Sign(Ge(Fa — F1)/Ез — F1/ + 6к(F2—

F1)/Е2 F1/), (9) — F 1)/F2 — F1/). (3)

10 где Po — давление окружающей среды и давление на входе во всасывающую линию;

p — плотность жидкости;

Ge — гидравлическое сопротивление

"5 всасывающей линии;

6» — гидравлическое сопротивление каналов в дополнительном поршне.

При нагнетании расходы Ок и Ов определяются зависимостями:

Ок = Чн(Е2 Е1);

1803606

50 а для работы при недопустимом повышении давления в гидросистеме:

Sign(GeF1 Gê(F2 F 1)/F2 F>/j =

- — Sign(G F1 — Ок(г".г — F1)/ г — F /). (10)

Условие (9) соответствует условию постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране и может быть реализовано при .определенных соотношениях параметров F1, Fz, Рз; Gâ, Gк. Условие (10) реализовано быть не может, Таким образом, устройство (1) не позволяет обеспечить коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране при ограничении давления в гидросистеме за счет перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую линию. Это приводит к смятию герметизирующей мембраны и перетиранию ее материала на складках, что приводит к снижению надежности насоса.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей насоса путем обеспечения возможности ограничения давления, развиваемого насосом, и повышении надежности путем обеспечения постоянства направления действующего на мембрану давления.

Указанная цель достигается тем, что основной поршень установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, седло всасывающего клапана обращено в сторону штока для об.разования в совокупности с нагруженным пружиной затвором устройства ограничения давления, хвостовик затвора снабжен упором для взаимодействия со штоком на такте всасывания, шток со стороны всасывающей камеры снабжен каналом для дополнительного сообщения мембранной и всасывающей камер, при этом вход в канал штока и хвостовик затвора всасывающего клапана снабжены обращенными друг к другу уплотнительными поясками для образования между ними дросселирующей щели при срабатывании устройства ограничения давления.

Существенные отличия предлагаемого устройства заключаются в следующем.

Выполнение основного поршня с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока обеспечивает возможность принудительного открытия установленного в нем всасывающего клапана во время всасывания.

Выполнение седла всасывающего клапана обращенным в сторону штока позволяет использовать затвор всасывающего клапана как чувствительный элемент уст5

35 ройства .ограничения давления в рабочей камере.

Выполнение на хвостовике затвора всасывающего клапана упора для взаимодействия со штоком обеспечивает смещение затвора относительно поршня во время ВсВсывания и разгерметизацию стыка между затвором и седлом.

Наличие канала в штоке обеспечивает возможность изменения общего сопротивления каналов, соединяющих всасывающую и мембранную камеры, Наличие уплотнительного пояска на входе в канал в штоке обеспечивает возможность перекрытия этого канала при смещении затвора всасывающего клапана в сторону мембранной камеры.

Наличие .уплотнительного пояска на хвостовике затвора всасывающего клапана со стороны, обращенного к уплотнительному пояску на входе s кKа нHа8л в 8 LшUтTоoкKеe, позволяет использовать затвор всасывающего клапана для перекрытия дополнительного канала.

Совокупность перечисленных признаков позволяет расширить функциональные возможности насоса, а именно обеспечить ограничение предельного давления в гидросистеме, и повысить надежность насоса.

Совокупность этих признаков позволяет получить новое свойство объекта, а именно расширить функциональные возможности насоса путем обеспечения возможности ограничения давления и повысить наде>кность насоса. Ограничение давления достигается за счет смещения затвора всасывающего клапана в сторону штока при недопустимом повышении давления в рабочей камере насоса, что приводит к разгерметизации рабочей камеры и перепуску жидкости на всасывание, Надежность насоса повышается за счет обеспечения постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране как при работе насоса в номинальном режиме, так и при перепуске жидкости из рабочей камеры насоса при недопустимом повышении давления. Этот эффект достигается следующим образом. При смещении затвора всасывающего клапана, происходящее во время перепуска жидкости из рабочей камеры, увеличивается общее сопротивление каналов, соединяющих всасывающую и мембранную камеры, что позволяет компенсировать повышениедавления Во всасывающей камере и сохранить постоянство направления перепада давления на герметизирующей мембране.

На фиг. 1 и 2 представлены конструктивные схемы предлагаемого насоса.

1803606

Насос на фиг. 1 имеет цилиндр 1, в котором размещены шток 2. подвижный QTHoсительно штока 2 основной поршень 3 с, ограничителями 4 и 5 перемещения относительно штока 2, герметизирующая мембрана 6, установленная между цилиндром 1 и штоком 2. На штоке 2 между основным поршнем 3 и герметизирующей мембраной 6 выполнен дополнительный поршень 7, делящий штоковую полость насоса на всасывающую камеру 8, сообщающуюся с

10 всасывающей линией 9, и мембранную камеру 10, Мембранная камера 10сообщается с всасывающей камерой 8 посредством каналов 11, выполненных в дополнительном поршне 7. В основном поршне установлен всасывающий клапан, седло 12 которого обращено в сторону мембранной камеры 10, а затвор,13 имеет на хвостовике 14 упор 15

55 лом 12 и затвором 13 всасывающего клапана имеется щель, через которую жидкость поступает эа оабочую камеру 16.

Расход жидкости, перетекающий иэ мембранной камеры 10 во всасывающую камеру

8 определяется по уравнению (1). а расход для ограничения его перемещения относи- 20 тельно штока 2 в .сторону рабочей камеры

16. Между штоком 2 и затвором 13 всасывающего клапана установлена пружина сжатия 17. На хвостовике 14 затвора f3 всасывающего клапана выполнен уплотни- 25 тельный поясок 18. обращенный в сторону мембранной камеры 10, В штоке выполнен канал 19 для дополнительного сообщения всасывающей 8 и мембранной 10 камер, который имеет со стороны всасывающей 30 камеры 8 уплотнительный поясок 20, обращенный в сторону рабочей камеры и образующий дросселирующую щель совместно с уплотнительным пояском 18.

Работа насоса происходит следующим 35 образом.

При работе насоса в номинальном режиме шток 2 совместно с основным поршнем 3 совершает в цилиндре возвратно-поступтательное движение, благо- 40 даря чему происходит изменение объема рабочей камеры 16 насоса и перекачивание жидкости. При этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 10, вызывающее переменное по 45 направлению течение жидкости в каналах

11 и 19.

Во время всасывания основной поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к рабочей камере 50

16 положение, в результате чего его ограничитель 4 упирается в шток 2, а пружина 17 прижимает упор 15 затвора 13 всасывающего клапана к штоку 2. При этом между седPM = i o — р vez(GsF12 — G<1(F2—

F1)/Рг F1/) где Ок1 — общее гидравлическое сопротивление каналов 11 и 18 в штоке 2 во время всасывания.

Во время нагнетания основной поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 10 положение, в результате чего его ограничитель 5 упирается в шток 2, а пружина 17 прижимает затвор 13 всасывающего клапана к седлу 12. Зазор между уплотнительными поясками .18 и 20 уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления образованной ими дросселирующей щели и, следовательно, к увеличению общего сопротивления каналов 12 и 19. Расход жидкости, перетекающей из всасывающей камеры 8 в мембранную камеру 10 определяется по уравнению (4), а расход жидкости во всасывающей линии — по уравнению (5). Давление в мембранной камере во время нагнетания;

Р = Р, — р vH (G>(Fz — F1)/Рз — F1/+ (12) + G

Sign(G F1 бк1(Р2 Р1)/Fz F1/) =

= Sign(Ge(F3 F1)/Fa F1/ +

+ G

1803606

10 г

Рм = Ро + P з/н "(Ge» <-зкз(1 2 — F 1)/Fz — F1/), (14) < где (Зкз — общее гидравлическое сопротивление каналов 11 и 19 e øòoêå 2 при полном перепуске жидкости иэ рабочей камеры 16 во время нагнетания.

Следует отметить, что при перепуске жидкости из рабочей камеры 16 возможно и полное перекрытие канала 19 уплотнительными поясками 18 и 20, При этом Окз является сопротивлением каналов 11 в дополнительном поршне 7.

Из (11) и (14) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметиэирующей мембране 6 при полном перепуске жидкости из рабочей камеры 16 во время нагнетания:

Slgn(GeF1 G«(F2 F1)/F2 F1/ =

819п(681=1 — бкз("2 F1)/F2 F1/) (15) Анализ уравнений (13) и (15) показывает, что существуют области соотношения

ПараМЕтрОВ F1, F2, 1-З, Ge, Ок1, 6кг, Окз, В которых обеспечивается постоянство направления перепада давления на гермегизирующей мембране 6. Это имеет место при

F1 < Fz, F1 < Рз, если у<6<1 /6<1 -1« ° V/6<з

„ /Ga + „)-i

Gs а при F1 < Fz, F» Рз, если

, з ному уменьшению зазора между уплотнительными поясками 18 и 20 и увеличению сопротивления образованного ими дроссе. ля. По мере повышения давления в гидросистеме указанное смещение затвора 13 увеличивается, что сопровождается увеличением сопротивления дросселирующей щели между уплотнительными поясками 18 и 20 и увеличением расхода жидкости, перепускаемой из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9. При полном перепуске жидкости из рабочей камеры 16 расход жидкости в каналах 11 и 19 определяется по уравнению (4), а расход жидкости во всасывающей линии 9 — по уравнению (7). Давление в мембранной камере 10 при этом описывается уравнением; з/G1 ° G .-1 F VG з х /6 з, „)-!

6е

Р„(р, /6, F3); + i)Ge Ge

При Е1 > FZ уСлсвиЕ (15) нЕ выпОлняЕтСя.

Насос на фиг. 2 отличается от насоса на

- фиг. 1 тем, что ограничитель 4 ограничивает перемещение основного поршня 3 относительно затвора 13 в сторону рабочей камеры

16. Обозначения на фиг, 2 соответствуют обозначениям на фиг. 1.

Работа насоса на фиг. 2 отличается от работы насоса на фиг. 1 тем, что во время всасывэния основной поршень 3 упирается ограничителем 4 в затвор 13, который в свою очередь посредством упора 15 взаимодей. ствует со штоком 2. Таким образом, затвор

13 всасывающего клапана насоса по фиг..2 дополнительно выполняет функцию одно-: сторонней кинематической связи между ; штоком 2 и основным поршнем 3. В остальном работа насоса на фиг. 2 соответствует работе насоса на фиг. 1, а все полученные для насоса на фиг, 1 зависимости сохраняют справедливость и для насоса на фиг, 2.

Предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства (1) путем обеспечения возможности ограничения давления в гидросистеме; а также повысить его надежность.

Эффект достигается за счет поддержания постоянного по направлению перепада давления на герметиэирующей мембране как при работе в номинальном режиме, так и

<при недопустимом повышейии давления в гидросистеме, когда из-эа перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую линию повышается давление во всасывающей камере, Постоянный по направлению перепад давления на герметиэирующей мембране при любрм режиме работы насоса препятствует смятию мембраны и образованию на ней складок, приводящих к перетиранию ее материала и нарушению герметичности насоса.

Формула изобретения

Герметичный поршневой насос, содеражщий размещенные в цилиндре шток с .основным и дополнительным поршнями, в первом иэ которых установлен всасывающий клапан, включающий седло в теле поршня и нагруженный пружиной затвор с хвостовиком, обращенным в сторону штока, герметизирующую мембрану, уста новленную между цилиндром и штоком с обраэова1803606

Составитель М.Рогунов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор С.Лисина

Редактор Т.Куркова

Заказ 1042 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 нием в совокупности с основным и допол- пана обращено в сторону UITo<à для обранительным поршнями мембранной вса- зования в совокупности с нагруженным прусывающей и рабочей камер, причем жиной затвором устройства ограничения дополнительный поршень имеет отверстия давления, хвостовик затвора снабжен уподля соединения мембранной и всасываю- 5 ромдля взаимодействия со штоком на такте щей камер, отличающийся тем, что, с всасывания, шток со стороны всасывающей целью расширения функциональных воз-. камеры снабжен каналом длядополнительможностей путем обеспечения возможно- ного сообщения мембранной и всасываюсти ограничения давления,, развиваемого . щей камер, а вхоД в канал штока и хвостовик .насосом, и повышения йадежности путем 10 затвора всасывающего клапана снабжены обеспечения постоянства направления дей- обращенными один к другому уплотниствующего на мембрану давления, основ- тельными пояскамидляобразованиямежной поршень установлен с возможностью ду ними дросселирующей щели при ограниченного осевого перемещения отно- срабатывании устройства ограничения давсительно штока, седло всасывающего кла- 15 ления.