Многоцилиндровый насос с гидроприводом
(57) Устройство предназначено для использования в области насосостроения при перекачивании тяжелых жидких сред. Состоит из цилиндров, каждый из которых имеет с одной («водяной») стороны (20) вход/выход для перекачиваемой жидкости, подающейся в насос под регулируемым давлением, создаваемым пневматическим способом, а с другой («масляной») стороны (30) - вход и выход (31, 32) для гидроприводного масла. Сепаратор (40), движущийся поступательно вдоль оси цилиндра, связан с водяной стороной цилиндра (20) посредством сильфонной гибкой мембраны (45) и с масляной стороной (30) цилиндра посредством другой сильфонной гибкой мембраны (46), что сопровождается образованием наружного кольцевого пространства (49), заполненного гидроприводной жидкостью. Суммарный объем гидроприводного масла в цилиндрах (10.1-10.12) сохраняется постоянным - равным 1/2 суммарного вытеснительного объема всех цилиндров, с помощью устройства (65), компенсирующего температурное расширение жидкости и управляющего подачей гидроприводного масла, необходимого для приведения насоса в действие. Сепараторы (40) во время хода всасывания движутся с постоянной для всех цилиндров скоростью, а во время хода нагнетания - в зависимости от подачи гидроприводного масла. При этом меньшее количество сепараторов (40) в некоторых цилиндрах выполняет ход всасывания, в то время как большее количество сепараторов (40) в других цилиндрах выполняет ход нагнетания. Повышается надежность работы насоса за счет исключения фрикционного износа и изоляции гидропривода машины от перекачиваемой жидкости. 3 н. и 17 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к многоцилиндровым диафрагменным насосам с гидроприводом, в частности, предназначенным для перекачки тяжелых жидких сред, таких как: жидкие смеси минералов и руд, грязевые массы, суспензии, жидкие глины и гели; а также - к способам функционирования таких насосов. Под термином «насос» или «машина» в дальнейшем подразумеваются именно эти насосы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В существующих насосах для перекачки тяжелых жидких сред в качестве вытеснительных органов используются поршни, плунжеры, трубчатые диафрагмы и т.п., которые подвержены фрикционному износу и не изолируют гидроприводную жидкость от перекачиваемой жидкости нужным образом.
Существуют насосы, в которых используются плоские либо трубчатые гибкие диафрагмы. Насосы с плоской диафрагмой производятся компанией «Geho». Трубчатая диафрагма рассматривается как усовершенствование по сравнению с плоской. Подобный насос с трубчатой диафрагмой описан в патенте GB 2161221. Как диафрагма в нем использован гибкий чулок, усилие на который передается с помощью приводной жидкости от поступательно движущегося поршня, что приводит к пульсации чулка, напоминающей пульсацию человеческой вены. Подобные насосы производятся фирмой Feluwa.
Однако все известные мембранные насосы используют для привода кривошипно-шатунный механизм, недостатками которого являются большие габариты, дороговизна и необходимость сглаживания пульсации жидкости.
В патентах FR-A-315,900, US-A-2,464,095, DE-A-1653445 и в резюме японского патента 60008485 описаны насосы, в которых гидроприводная жидкость изолируется от перекачиваемой посредством диафрагмы в форме сильфона, но ни один из перечисленных насосов не обладает двойной изоляцией этих жидкостей и не предназначен для создания многоцилиндровых установок.
Раскрытие изобретения
Изобретение представляет собой многоцилиндровый мембранный нанос с гидроприводом, предназначенный, в частности, для перекачки тяжелых жидких сред. Насос состоит из нескольких цилиндров, каждый из которых имеет на одном конце - вход и выход для перекачиваемой жидкости, а на другом конце - вход и выход для гидроприводной жидкости. Эти входы и выходы могут быть раздельными (для гидроприводной жидкости) или комбинированными (для перекачиваемой жидкости). Входы и выходы оснащены впускными и выпускными клапанами. В каждом цилиндре находится сепаратор, движущийся туда и обратно вдоль оси цилиндра. Одна сторона подвижного сепаратора обращена к гидроприводной жидкости («масляная сторона»), другая - к перекачиваемой жидкости («водяная сторона»). Сепаратор механически связан с крышкой водяной стороны цилиндра посредством первой гибкой диафрагмы, имеющей форму сильфона (цилиндрической гармошки), распрямляющейся и сжимающейся в направлении оси цилиндра при движении сепаратора вдоль этой оси. Подвижный сепаратор, таким образом, ограничивает первую камеру перекачиваемой жидкости переменного объема, находящуюся внутри первой гибкой диафрагмы и связанную через впускной и выпускной клапаны с коллектором перекачиваемой жидкости («водяным коллектором»). Подвижный сепаратор также связан с крышкой масляной стороны цилиндра с помощью второй гибкой диафрагмы, имеющей форму сильфона, сжимающейся и распрямляющейся вдоль оси цилиндра в противофазе с деформацией первой диафрагмы. Вторая сторона сепаратора ограничивает вторую камеру гидроприводной жидкости переменного объема, связанную с входным и выходным клапанами масляной стороны цилиндра. Наружная кольцевая полость, находящаяся между наружными стенками гибких диафрагм и внутренней стенкой цилиндра, содержит жидкость, по характеристикам аналогичную гидроприводной жидкости.
Описываемый насос напрямую приводится в действие от сервонасоса гидропривода, что в огромной степени упрощает конструкцию машины и предоставляет вместе с тем простой способ регулирования подачи перекачиваемой жидкости. Более того, использование двух диафрагм обеспечивает двойную степень защиты гидроприводной жидкости от перекачиваемой.
Данное изобретение касается также и способов запуска, и идеи функционирования насосов. Когда многоцилиндровый гидроприводной насос находится в рабочем состоянии, входные и выходные клапаны первой (водяной) камеры связывают ее с перекачиваемой жидкостью, а входные и выходные клапаны второй (масляной) камеры связывают ее с контуром гидроприводной жидкости. Идея функционирования состоит в приведении сепаратора одного из цилиндров в движение, которое во время хода всасывания перекачиваемой жидкости направлено от водяной стороны к масляной, дабы заполнить первую камеру перекачиваемой жидкостью (давление в которой создается вне насоса) и в то же время выдавить гидроприводную жидкость из второй камеры того же цилиндра. При этом в другом цилиндре насоса происходит ход нагнетания, при котором подвижный сепаратор этого цилиндра приводится в движение, направленное от масляной стороны цилиндра к водяной под действием впускаемой во вторую камеру гидроприводной жидкости под давлением, что сопровождается выдавливанием перекачиваемой жидкости из первой камеры этого цилиндра. Таким образом, при работе насоса сумма объемов гидроприводной жидкости во вторых (масляных) камерах цилиндров поддерживается постоянной, равной 1/2 рабочего объема насоса, рассчитываемого как суммарный объем гидроприводной жидкости, перемещаемой сепаратором в течение полного его хода туда и обратно, умноженный на количество цилиндров насоса.
Сепараторы всех цилиндров, находящихся в ходе всасывания, движутся в течение этого хода с постоянной (но регулируемой) скоростью; сепараторы всех цилиндров, находящихся в ходе нагнетания, также движутся с одинаковой скоростью, регулируемой пропорционально подаче гидроприводной жидкости под давлением от сервонасоса.
Наименьшая скорость сепаратора при ходе всасывания должна, по меньшей мере, равняться максимальному значению его скорости при ходе нагнетания, причем, по крайней мере, один сепаратор будет выполнять ход всасывания с относительно высокой скоростью, в то время как несколько сепараторов будут выполнять ход нагнетания с относительно низкой скоростью. Чем ниже скорость сепараторов в ходе нагнетания (т.е. чем ниже подача насоса), тем меньшее число сепараторов будет одновременно выполнять ход всасывания.
Дополнительные сведения и преимущества изобретения изложены в разделе "Осуществление" изобретения, характерные признаки изобретения изложены в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые эскизные чертежи приведены для примера и демонстрируют некоторые варианты конструкции гидроприводного многоцилиндрового насоса, соответствующего данному изобретению:
на фиг.1 дано поперечное сечение одного из вариантов конструкции
цилиндра насоса, соответствующего данному изобретению;
на фиг.2 дано поперечное сечение другого варианта конструкции цилиндра насоса, соответствующего данному изобретению;
на фиг.3 приведена общая схема многоцилиндрового насоса, соответствующего данному изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Насос, схема которого показана на фиг.3, в данном примере включает двенадцать стальных цилиндров для работы под давлением 10.1-10.12, внутри каждого из которых находится оригинальный подвижный узел с двумя мембранами, подробно показанный на фиг.1, а в альтернативном варианте - на фиг.2. Все эти цилиндры 10.1-10.12 работают параллельно, их ход нагнетания происходит под действием давления специального гидроприводного масла, подаваемого через контур 60 от одного или нескольких гидронасосов 61.1-61.5. На чертеже изображено пять таких сервонасосов, приводимых в действие электродвигателями 62.1-62.5 и параллельно соединенных с теплообменниками 69 для охлаждения масла. Гидравлический контур 60 включает впускной и 5 выпускной коллектор для масла 63,64 и коллектор для охлаждения масла 71.
Каждый цилиндр 10 насоса имеет водяную (нижнюю) часть 20 с комбинированным входом и выходом для перекачиваемой жидкости 21 и масляную (верхнюю) часть 30 с раздельным входом 31 и выходом 32 для гидроприводной жидкости. Вход/выход 21 для перекачиваемой жидкости разветвляется на входной и выходной каналы, снабженные входным 23 и выходным 24 клапанами. Вход 31 для гидроприводной жидкости снабжен входным клапаном 33, а выход 32 - выходным клапаном 34. Эти клапаны 33 и 34 смонтированы в блоке клапанов 54.
Нижняя 20 и верхняя 30 части цилиндра закрыты соответственно нижней 12 и верхней 14 крышками, которые в данном примере закреплены внутри цилиндра и снабжены кольцами 16,18 для крепления краев мембран. В верхней крышке 14 и блоке клапанов 54 выполнены отверстия (направленные из плоскости фиг.1 и 2), образующие вход/выход 31/32 для масла.
Дискообразный подвижный сепаратор 40, расположенный в каждом из цилиндров 10 насоса, движется при его работе внутри цилиндра туда и обратно. Первая сторона 40а сепаратора, связанная в данном примере с вытеснителем 42, обращена к нижней (водяной) части 20 цилиндра, а вторая сторона 40b сепаратора, связанная в данном примере с вытеснителем 43, обращена к верхней (масляной) части 30 цилиндра. Подвижный сепаратор 40 связан с крышкой водяной части 20 цилиндра посредством гибкой диафрагмы 45 (называемой также «первой гибкой диафрагмой»), имеющей форму сильфона (цилиндрической гармошки), распрямляющейся и сжимающейся внутри цилиндра 10 в осевом его направлении при движении сепаратора 40 туда и обратно.
Первая сторона сепаратора 40а вместе с вытеснителем 42 ограничивает совместно с гибкой диафрагмой 45 внутри нее первую (водяную) камеру 47, содержащую переменный объем перекачиваемой жидкости, связанный со входом/выходом 21. Вторая сторона сепаратора 40b вместе с вытеснителем 43 образует вторую (масляную) камеру 48, содержащую переменный объем гидроприводного масла, связанный со вторым входом/выходом 31/32. Как видно из фиг.1 и 2, подвижный сепаратор 40 механически связан с верхней (масляной) крышкой цилиндра 30 с помощью второй гибкой диафрагмы 46 в форме сильфона (цилиндрической гармошки), сжимающейся и распрямляющейся внутри цилиндра 10 в противофазе с деформацией первой гибкой диафрагмы 45. Кольцевая полость 49, заключенная между наружными поверхностями диафрагм 45,46 и внутренней стенкой цилиндра 10, заполнена жидкостью, аналогичной по характеристикам гидроприводному маслу в полости 48.
Фасонное кольцо 41 и направляющие стержни, расположенные вдоль внутренней поверхности цилиндра, стабилизируют поступательное движение сепаратора 40 внутри цилиндра. Отверстия в направляющем кольце 41 позволяют жидкости свободно перетекать внутри кольцевой полости 49.
Вытеснители 42,43 из легкого материала имеют длину, достаточную для ограничения максимального хода сепаратора 40 в цилиндре 10, лимитируя тем самым максимальные рабочие напряжения в сильфонных мембранах 45,46.
В кольцевой полости 49 предусмотрен датчик (не показано) для обнаружения загрязнения гидроприводной жидкости перекачиваемой жидкостью, которое может иметь место при местном разрушении либо потере герметичности мембраны 45, и для подачи соответствующего сигнала об отказе.
Вход 21 соединен с впускным 26 и выпускным 27 коллектором перекачиваемой жидкости. Эти коллекторы и их гидравлические цепи оснащены запорными клапанами 28, которые вместе с запорными клапанами 36,37 масляного контура 60 позволяют отключить отдельный цилиндр 10 от контуров насоса и демонтировать его для обслуживания. Входной коллектор 26 соединен с внешней аппаратурой (не показана) для подачи перекачиваемой жидкости в насос под требуемым давлением, достаточным для перемещения сепаратора 40 вдоль цилиндра от водяной стороны 20 к масляной стороне 30 в течение хода всасывания. Предпочтительно, чтобы эта аппаратура создавала давление в перекачиваемой жидкости пневматическим способом.
Фиг.1 и 2 иллюстрируют два возможных способа ограничения рабочего хода сепаратора 40 внутри цилиндра 10. На фиг.1 для такого ограничения использованы два вытеснителя 42 и 43, выступающие из первой 40а и второй 40b стороны сепаратора 40 и способные упираться во внутреннюю поверхность концевых крышек 12 и 14 водяной 20 и масляной 30 частей цилиндра 10. На фиг.2 вместо нижнего вытеснителя 42 со стороны нижней (водяной) части 20 цилиндра 10 использована выступающая трубка 44. Конструкция, показанная на фиг.2, может использоваться, если перекачиваемая жидкость не содержит посторонних включений, способных накапливаться между трубкой 44 и внутренней поверхностью сильфонной мембраны 45. Конструкция на фиг.1 более предпочтительна для перекачки тяжелых жидких сред, склонных к наличию подобных осаждающихся включений.
Эти вытеснители 42,43,44 лимитируют максимальное перемещение подвижного сепаратора 40, но не предназначены для функционирования в качестве опор-ограничителей хода при нормальной работе цилиндра. Вместо этого производится мониторинг положения сепаратора 40 в каждом цилиндре и управление величиной его рабочего хода путем открытия и закрытия входных и выходных клапанов 23, 24; 33, 34.
Например, как показано на фиг.1 и 2, для мониторинга положения сепаратора 40 в его вытеснителе 43 может быть использован стержень 51. Этот стержень 51 проходит через отверстие 52 в верхней крышке 14, блоке клапанов 54 и вертикальной выступающей трубке 55. Несколько датчиков положения, например сенсоры 53, работающие на эффекте Холла, смонтированы на трубке 55 выше блока 54 для мониторинга положения стержня 51. Здесь показано два сенсора 53, но также могут быть использованы и несколько дублирующих и промежуточных сенсоров. Альтернативно, могут быть применены датчики движения непрерывного действия.
Насос также оснащен устройством (не показано) для измерения расхода гидроприводного масла, покидающего выходные каналы 32 цилиндров 10. Аналогичное устройство может быть предусмотрено для измерения подачи перекачиваемой жидкости через выход 21.
Датчики положения 51,53 и расходомерные устройства целесообразно связать с электронным контроллером, имеющим дисплей для отображения положений и направлений движения сепараторов 40 в цилиндрах 10, что позволит оператору мгновенно оценивать режим и параметры работы насоса.
Насос имеет переменные объемы гидроприводного масла в масляных камерах 48 цилиндров 10.1-10.12, которые сообщаются с внешним гидравлическим контуром 60 через масляные входы 31 и выходы 32. При этом во всем насосе находится заданный объем гидроприводного масла, равный сумме объема масла во внешнем контуре 60 и объемов масла во всех камерах 48, т.е. внутри всех цилиндров 10.1-10.12. Объем масла в каждом отдельном цилиндре 10 изменяется при поступательном движении сепаратора 40, но сумма объемов масла всех камер 48 остается постоянной и равняется 1/2 рабочего объема цилиндров 10.1-10.12 насоса, рассчитываемого как суммарный объем гидроприводной жидкости, перемещаемой сепаратором в течение полного его хода туда и обратно в каждом цилиндре, умноженной на количество цилиндров.
Суммарная масса гидроприводного масла, включающая внешний контур 60 и камеры 48 цилиндров 10.1-10.12, - величина постоянная, но объем масла меняется в зависимости от температуры.
Для компенсации температурного изменения объема гидроприводного масла предназначено устройство 65, обеспечивающее постоянство суммарного объема масла в цилиндрах и его равенство 1/2 суммарного рабочего объема насоса. Как показано на фиг.3, этот компенсатор 65 состоит из масляного цилиндра 66, содержащего переменный объем гидроприводного масла, который определяется подвижной частью 67, сообщающей маслу атмосферное давление через сильфонную мембрану 68. Цилиндр 66 показан горизонтально, но подразумевается его вертикальное расположение.
Система управления включает: отслеживание уровня масла в устройстве 65; отслеживание температуры; и управление уровнем с учетом изменения температуры. Отслеживание уровня в устройстве 65, кроме того, позволяет проверить выполнение вышеупомянутых условий для обеспечения постоянства суммарного объема гидроприводного масла в цилиндрах.
Рассматриваемый гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос устроен так, что при его работе сепараторы 40 движутся вверх с одинаковой для всех цилиндров 10.1-10.12 и управляемой скоростью - в ходе всасывания, и движутся вниз со скоростями, зависящими от подачи масла сер во насосами 61.1-61.5 гидропривода, - в ходе нагнетания.
Кроме того, конструкция насоса такова, что по крайней мере один подвижный сепаратор 40 выполняет ход всасывания со сравнительно высокой скоростью, в то время как большее количество сепараторов 40 в других цилиндрах выполняют ход нагнетания со сравнительно низкими регулируемыми, но одинаковыми во всех таких цилиндрах скоростями. Например, в показанном двенадцатицилиндровом насосе четыре сепаратора 40 выполняют ход всасывания, когда восемь сепараторов выполняют ход нагнетания; но данное соотношение зависит, помимо всего прочего, и от подачи масла сервонасосами.
Рассматриваемый насос может быть запущен после заполнения камер 48 всех цилиндров разными объемами гидроприводного масла (как будет подробнее описано ниже) так, чтобы в сумме они содержали объем масла, равный 1/2 суммарного рабочего объема всех цилиндров, и приведении в движение сепараторов 40 с поддержанием того же объема гидроприводного масла в цилиндрах 10.1-10.12.
Цикл всасывания приводится перекачиваемой жидкостью, которая подается во входной коллектор 26 под давлением, создаваемым вне насоса любым доступным способом. Как было отмечено выше, удобно создавать это давление пневматически, а именно - с помощью двух параллельно соединенных цилиндрических емкостей, рассчитанных под требуемое давление, закрытых с верхней стороны и связанных через обычные впускные клапаны с емкостью для перекачиваемой жидкости, а также снабженных аналогичными выпускными клапанами с их нижней стороны. Эти емкости соединены с выходным коллектором 27 и оснащены системой сигнализации уровня, которая, в свою очередь, управляет клапаном сжатого воздуха, поступающего в полную емкость и выталкивающего ее содержимое во входной коллектор 26 насоса. Две емкости, содержащие перекачиваемую жидкость, могут быть использованы и по иной схеме, когда при опорожнении одной из них другая заполняется жидкостью и выпускает воздух из первой с тем, чтобы та могла быть заполнена жидкостью.
Давление, под которым перекачиваемая жидкость подается в насос, должно быть регулируемым и должно превосходить потери давления, связанные с: проходом жидкости через клапан 23; деформацией сжатия нижней мембраны 45 и распрямлением верхней мембраны 46; проходом масла из верхней камеры 48 через выпускной клапан 34 в клапанный блок 54, затем через расходомерное устройство в блоке 54 в верхний коллектор для возврата нагретого масла 64, через теплообменники 69 (охлаждающие масло) и через нижний коллектор 71 возврата охлажденного масла назад в сервонасосы 61.1-61.5. Итоговое потребное давление определяется и создается экспериментально и должно обеспечивать во время хода всасывания возврат масла с той же скоростью, что и скорость его подачи во время хода нагнетания при максимальной подаче сервонасосов 61.1-61.5 (суммарный объем масла, возвращающегося к сервонасосам, равен объему масла, подаваемого этими насосами, и рассматриваемое давление должно быть, по меньшей мере, достаточным для возврата такого объема масла).
Каждый цилиндр 10 через свою верхнюю крышку 14 соединен с блоком клапанов 54, содержащим впускной и выпускной клапаны 33,34 для масла, приводимые в действие электромагнитными пилотными клапанами, также являющимися частью блока клапанов 54. Сигнал для открытия и закрытия пилотных клапанов поступает с датчиков положения 53, расположенных в верхней части блока клапанов 54 (см. фиг.1 и 2). Эти сигналы также поступают и на центральное управляющее устройство машины, которое, помимо других функций, выполняет подсчет сигналов от датчиков перемещения. Каждый сигнал на открытие пилотного клапана приводит к впуску масла под давлением в верхнюю камеру 48 и инициирует начало хода нагнетания в соответствующем цилиндре 10, которое регистрируется и отображается на вышеупомянутом дисплее в реальной последовательности. Таким образом, становится известно, какой из одновременно движущихся в данный момент времени сепараторов 40 начал движение первым. В случае если равновесие между расходом масла, выходящего из цилиндров 10.1-10.12, и потребной подачей масла на сервонасосы начнет нарушаться (условие: подача возврата меньше подачи нагнетания), такая неуравновешенность просто и моментально устраняется реверсированием состояния масляных клапанов в соответствующем цилиндре 10. Сепаратор 40 при этом начнет возвращаться раньше, чем при обычном завершении хода, и его перемещение увеличит объем масла, возвращаемого к цилиндрам 10.1-10.12.
Полный объем масла в гидравлическом контуре 60 автоматически управляется электронным регулятором в соответствии с сигналом, поступающим от системы контроля 65 уровня масла в резервуаре 66, 25 расположенном в конце коллектора возврата масла 71 (коллектора охлажденного масла, питающего сервонасосы, см. фиг.3). Датчик уровня системы 65 работает с учетом температурного изменения всего объема масла, находящегося в машине.
Давление, сообщаемое перекачиваемой жидкости и необходимое для заполнения ею насоса и выполнения хода возврата (всасывания) мембраной/сепаратором 45/40, определяется с учетом всех превалирующих условий, которыми, с одной стороны, являются плотность, вязкость и другие реологические характеристики перекачиваемой жидкости; а с другой стороны - доступность и адекватность способов создания такого давления, с учетом требования равенства подачи масла к сервонасосам 61.1-61.5 и от них. Это давление должно быть регулируемым.
Упоминавшаяся ранее система датчиков положения 51/53, передающая сигналы о начале и окончании рабочего хода на электронный контроллер машины, снабжена также несколькими промежуточными датчиками 53 того же типа, позволяющими контроллеру в любой момент времени отслеживать положения мембран/сепараторов 45/40 при их движении вверх и вниз и отображать их на дисплее пульта управления. Дополнительным источником информации о положении мембран являются сигналы вышеупомянутых расходомерных устройств, расположенных в блоке клапанов 54 каждого цилиндра 10 и связанных с микропроцессорным контроллером.
Описанный режим функционирования машины приводит к переменной скорости в ходе нагнетания, зависящей от подачи сервонасосов, и постоянной скорости в ходе всасывания. Число мембран/сепараторов 45/40, выполняющих ход нагнетания, отнесенное к числу выполняющих ход всасывания в тот же самый момент, может варьироваться. Желательно добиться наименьшей скорости в ходе нагнетания (при соответствующей требуемой подаче насоса), чего можно достичь увеличением скорости хода всасывания (увеличением давления подачи перекачиваемой жидкости в насос).
Полный внутренний объем машины для заполнения гидроприводным маслом может быть точно вычислен. Сначала машина заполняется гидроприводным маслом и работает практически без давления по замкнутому контуру, перекачивая какую-либо жидкость-заменитель (например, воду) вместо реальной перекачиваемой жидкости. Во время такой работы гидроприводное масло рециркулирует через внешнее устройство стороннего производителя, в котором это масло дегазируется и производится его микрофильтрация (до размера частиц менее 1 мкм). При этом очищенное масло полностью заполняет приводную масляную часть насоса за исключением внутренних камер 48 масляных мембран 46, которые уже частично заполнены таким образом, что первая из них (камера 48 цилиндра 10.1) заполнена на величину полного хода, а последняя (камера 48 цилиндра 10.12) полностью сжата (что соответствует концу хода всасывания). Каждая из остальных камер 48 заполнена пропорционально меньшим количеством масла. Так, камера 48 первого цилиндра заполнена на 12/12 объема, камера 48 второго цилиндра - на 11/12 объема, камера 48 третьего цилиндра - на 10/12 объема, и так далее. Таким образом, общий объем масла, заполняющего камеры 48, будет равен половине их суммарного объема. Это достигается с помощью подаваемой под давлением жидкости (например, воды) из системы подачи перекачиваемой жидкости совместно с требуемой установкой масляных клапанов цилиндров. Масляная емкость 66 заполняется до расчетного уровня с учетом температуры машины и масла и настроек для уровня масла в системе мониторинга 65. Емкость системы 65 снабжена в верхней своей части сильфонным колпаком 67 из эластомера и герметичной крышкой. Объем, заключенный между этой крышкой и нижней частью сильфонного колпака 67, сообщается с источником сжатого воздуха через регулировочный клапан. Давление воздуха, воздействующее на масло в резервуаре 66 через сильфоны 68 поддерживается равным давлению масла, замеренному во входном масляном коллекторе 71 сервонасосов, и может быть уменьшено или увеличено в соответствии с текущим давлением масла при возврате (которое может быть изменено переменным давлением воздуха в упомянутых ранее пневматических емкостях для подачи жидкости). Резервуар 66 выполняет роль компенсатора температурного расширения масла и позволяет обнаружить аварийную ситуацию при проходе масла во впускной коллектор 71 сервонасосов из резервуара 66 (а именно - подачу возврата масла, меньшую чем подача сервонасосов).
Дополнительная система мониторинга исправности насоса (работы без гидравлических ударов) образована расходомерами, установленными на каждом выходе масла 32 каждого цилиндра 10 и передающими замеренные величины на электронный контроллер машины. Сумма замеренных расходов сравнивается с подачей сервонасосов 61.1-61.5 и в случае отклонений компенсируется вышеописанным действием контроллера в виде реверса масляных клапанов и/или регулировки давления поступающей на вход машины перекачиваемой жидкости, что приводит к увеличению объема всасываемой жидкости и соответствующему повышению объема возвращаемого масла. Эти расходомерные устройства также позволяют мгновенно обнаружить и скорректировать анормальное поведение любой отдельной мембраны/сепаратора 45/40 при ходе всасывания.
Типовая конструкция насоса имеет от восьми до шестнадцати, а скорее - от десяти до двенадцати цилиндров 10 длиной до 2 метров или менее. Для большинства областей применения диаметр таких цилиндров составит от 200 до 400 миллиметров. Вытеснительный объем цилиндра составит от 15 до 30 литров за один ход. Возможно создание и меньших по габаритам насосов, но более мощные насосы выглядят предпочтительнее.
Данный насос обладает многочисленными преимуществами по сравнению с существовавшими ранее гидроприводными насосами для перекачки тяжелых жидких сред. Использование диафрагм 45/46 вместо других поступательных органов, таких как поршни, плунжеры, чулковые диафрагмы и т.п., уже в своем принципе является огромным преимуществом, поскольку позволяет исключить фрикционный износ и изолирует гидропривод машины от перекачиваемой жидкости.
Сильфонная мембрана 45 или же сдвоенная мембрана 45/46, по сравнению, например, с плоскими или трубчатыми мебранами уже упомянутых мембранных насосов для цемента фирм GEHO and FELUWA, позволяет резко снизить механические напряжения в материале мембран за счет эффективного использования всей длины сильфонной мембраны при создании рабочего хода (с коэффициентом 2:1 или более). Идея использования двух одинаковых сильфонов 45/46, образующих дополнительную наружную кольцевую изолирующую камеру, решает сразу несколько проблем:
1. Двойная степень защиты: контакт гидроприводного масла с перекачиваемой жидкостью отсутствует даже при потере герметичности диафрагмой 45.
2. Мгновенная сигнализация о подобной ситуации благодаря возможности размещения упомянутого химического датчика в кольцевой масляной полости 49 для обнаружения посторонних примесей в гидроприводной жидкости.
3. Возможность использования разных (по стоимости) материалов для каждой мембраны.
4. Устранение мертвого объема путем частичного заполнения объема камер 47, 48 легкими вытеснителями 42, 43, подверженными всестороннему давлению и, следовательно, не нагруженными им.
5. Устранение риска повреждения от аварийного перемещения за пределы рабочего хода посредством ограничителей 44, установленных внутри мертвого объема, или применения для этого вытеснителей 42, 43 при условии сохранения всестороннего давления на них. В то же время повреждение верхней мембраны 46 при ее аварийном ходе вверх может быть исключено с помощью уплотнения, расположенного вокруг основного входа для масла. Дополнительный вход для масла, снабженный обратным клапаном и расположенный на периферии от главного входа, позволит избежать повышения давления масла, которое, в противном случае, может возникнуть в начале хода нагнетания.
6. Мембраны 45,46 перманентно центрируются при их движении.
К дополнительным преимуществам этого насоса относятся следующие:
а. Отсутствие в приводе кривошипно-шатунного механизма зубчатой передачи или иных решений для замедления движения приводного звена, в сочетании с неизбежно необходимым частотным регулированием электродвигателей 61 для регулирования подачи.
б. Подача без пульсаций без использования демпферов.
с. Исключительная медленноходность (5-10 ходов/мин), приводящая к резкому уменьшению усталостного повреждения мембран 45,46 и износа клапанов.
d. Модульность конструкции, позволяющая демонтировать и ремонтировать все детали машины, кроме коллекторов, не останавливая ее работы, а просто выключая отдельные цилиндры 10 из гидравлических контуров.
е. В случаях, когда обычно требуются резервные насосы, достаточно иметь только одну дополнительную приводную сборку (мотор/гидронасос), заменяющую целую резервную простаивающую машину.
f. Удаление или добавление модулей позволяет масштабировать мощность насоса для различных областей применения.
g. При соединении ограниченного количества таких отдельных малых модулей могут быть созданы очень крупные и мощные машины. Ни один из существующих насосов не обладает такой возможностью.
В описанную конструкцию машины и способ ее функционирования, соответствующие данному описанию, могут быть внесены различные модификации, не выходящие за рамки прилагаемой заявки. Конструкция металлических деталей цилиндров 10 и их крышек может изменяться в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями. Отношение давления в приводе к давлению на выходе насоса обычно равно 1:1, но оно может быть изменено при замене оголовка 14 на ступень гидравлического усилителя. Цилиндры 10 обычно ориентированы вертикально и могут быть расположены в ряд, либо расположены с любой другой удобной топологией - такой, например, как прямоугольник или круг.
Описываемый насос особенно хорошо подходит для перекачки тяжелых жидких сред, таких как жидкие смеси минералов и руд, грязевые массы, суспензии, например - буровые жидкости, но может также быть использован и для перекачки гелей, воды и других жидкостей.
1. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос, предназначенный, в частности, для перекачки тяжелых жидких сред, включающий несколько цилиндров (10.1-10.12), каждый из которых имеет первую сторону (20) с первым входом и выходом (21) для перекачиваемой жидкости и вторую сторону (30) со вторым входом и выходом (31,32) для гидроприводной жидкости; входы и выходы, связанные с соответствующими клапанами (23, 24; 33, 34); подвижный сепаратор (40), расположенный внутри и движущийся поступательно вдоль оси цилиндра (10), имеющий первую сторону (40а), обращенную к первой стороне (20) цилиндра, и вторую сторону (40b), обращенную ко второй стороне (30) цилиндра, где подвижный сепаратор (40) связан с внутренней частью (12) первой стороны (20) цилиндра посредством первой гибкой мембраны (45), имеющей форму сильфона, распрямляющейся и сжимающейся внутри цилиндра (10) вдоль его оси при поступательном движении подвижного сепаратора (40); первая сторона (40а) подвижного сепаратора ограничивает первую камеру (47), находящуюся внутри распрямляющейся и сжимающейся гибкой мембраны (45) и содержащую переменный объем перекачиваемой жидкости, связанную с первым входом и выходом (21); подвижный сепаратор (40) связан с внутренней частью (14) второй стороны (30) цилиндра посредством второй гибкой мембраны (46), имеющей форму сильфона, сжимающейся и распрямляющейся внутри цилиндра (10) вдоль его оси в противофазе с распрямлением и сжатием первой гибкой мембраны (45); вторая сторона (40b) подвижного сепаратора, ограничивающая вторую камеру (48), находящуюся внутри расширяющейся и сжимающейся гибкой мембраны (46) и содержащую переменный объем гидроприводной жидкости, связанную со вторым входом и выходом; а также кольцевую камеру (49), образованную между наружной поверхностью первой и второй мембран (45, 46) и внутренней стенкой цилиндра (10), которая в рабочем состоянии заполнена жидкостью, аналогичной гидроприводной жидкости по характеристикам.
2. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, включающий датчик для обнаружения посторонних примесей в гидравлической жидкости, содержащейся в камере (49).
3. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, где первый вход (21) связан с внешней аппаратурой, подающей перекачиваемую жидкость под требуемым регулируемым давлением, достаточным для приведения сепараторов (40) в движение хода всасывания вдоль оси цилиндров (10) от первой стороны (20) в направлении второй стороны (30).
4. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.3, где выше упомянутая аппаратура используется для подачи перекачиваемой жидкости под давлением, создаваемым пневматическим способом.
5. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, имеющий приспособления (42, 43, 44) для ограничения длины хода при движении сепаратора (40) туда и обратно внутри каждого цилиндра (10).
6. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.5, где приспособление для ограничения длины хода подвижного сепаратора включает, по меньшей мере, один из остановов (42, 43), смонтированых и выступающих из первой и/или второй сторон (40а, 40b) подвижного сепаратора (40), и способный упираться во внутреннюю часть первой (20) или второй (30) стороны цилиндра (10).
7. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, обладающий приспособлениями (51, 53) для мониторинга положения подвижного сепаратора (40) внутри каждого цилиндра (10), и для управления открытием и закрытием вторых клапанов входа и выхода (33, 34) с тем, чтобы движение сепараторов (40) происходило на управляемой длине рабочего хода.
8. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.7, где упомянутые приспособления для мониторинга положения включают стержень (51), соединенный для поступательного движения с подвижным сепаратором (40), и проходящий через отверстие (52) во второй стороне (30) цилиндра, а также приспособления (53) для мониторинга положения стержня (51).
9. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.6, включающий приспособления для измерения подачи гидроприводной жидкости, покидающей цилиндры (10) через упомянутый выше выход (32).
10. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.9, где указанные приспособления (21, 53) для мониторинга положения и указанные измерительные приспособления связаны с дисплеем для отображения положений и направлений движения подвижных сепараторов (40) в цилиндрах (10).
11. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, где изменяющиеся объемы гидроприводной жидкости во вторых камерах (48) цилиндров (10.1-10.12) связаны через вторые входы и выходы (32, 33) с гидравлическим контуром (60) снаружи цилиндров, и где этот насос содержит заданный объем гидроприводной жидкости, равный сумме объемов гидроприводной жидкости во внешнем гидравлическом контуре и ее объемов в указанных вторых камерах (48) цилиндров; объем гидроприводной жидкости в отдельных цилиндрах (10), изменяющийся в процессе движения подвижных сепараторов (40) туда и обратно, в то время как сумма объемов гидроприводной жидкости в указанных вторых камерах (48) цилиндров (10.1-10.12) остается, в целом, постоянной и, в целом, равной 1/2 суммарному вытеснительному объему цилиндров (10.1-10.12), определяемому как объем гидроприводной жидкости, перемещаемой в каждом цилиндре (10) при полном ходе каждого подвижного сепаратора (40) туда и обратно, умноженным на количество цилиндров.
12. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.11, оснащенный приспособлением (65) для регулирования объема гидроприводной жидкости в гидравлическом контуре (60), чтобы скомпенсировать температурное расширение гидроприводной жидкости, и предназначенным для поддержания объема гидроприводной жидкости в цилиндрах (10.1-10.12), в целом, постоянным и всегда равным 1/2 суммарного вытеснительного объема всех цилиндров.
13. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.12, включающий компенсационное устройство (65), состоящее из цилиндра (66) для гидроприводной жидкости переменного объема, задаваемого подвижным звеном (67), передающим пневматически создаваемое давление гидроприводной жидкости.
14. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по п.1, устроенный таким образом, что при его работе подвижные сепараторы (40) движутся в ходе всасывания в направлении от первой стороны (20) к второй стороне (30) цилиндра с постоянной, но регулируемой скоростью для всех цилиндров, и в направлении от второй стороны (30) к первой стороне (20) цилиндра с переменной скоростью, зависящей от объема гидроприводной жидкости, подаваемой в цилиндры, в ходе нагнетания.
15. Гидроприводной многоцилиндровый мембранный насос по любому из предыдущих пунктов, устроенный таким образом, что, по меньшей мере, один подвижный сепаратор (40) выполняет ход всасывания с относительно высокой скоростью, в то время как большее число подвижных сепараторов (40) выполняют ход нагнетания с относительно низкой скоростью.
16. Цилиндр гидроприводного многоцилиндрового насоса, охарактеризованного в любом из пп.1-15, имеющий первую сторону (20) с первым входом и выходом (21) для перекачиваемой жидкости, и вторую сторону (30) со вторым входом и выходом (31,32) для гидроприводной жидкости; входы и выходы, связанные с соответствующими клапанами (23, 24, 25; 32, 33); подвижный сепаратор (40), расположенный внутри цилиндра (10) и поступательно движущийся вдоль его оси туда и обратно, имеющий первую сторону (40а), обращенную к первой стороне (20) цилиндра, и вторую сторону (40b), обращенную к второй стороне (30) цилиндра, где подвижный сепаратор (40) связан с внутренней частью (12) первой стороны (20) цилиндра посредством первой гибкой мембраны (45), имеющей форму сильфона, распрямляющейся и сжимающейся внутри цилиндра (10) вдоль его оси при движении подвижного сепаратора (40) туда и обратно внутри цилиндра; первая сторона (40а) подвижного сепаратора, ограничивающая первую камеру (47), находящуюся внутри распрямляющейся и сжимающейся гибкой мембраны (45), содержащую переменный объем перекачиваемой жидкости и связанную с первым входом и выходом (21); подвижный сепаратор (40) связан с внутренней частью(14) второй стороны (30) цилиндра посредством второй гибкой мембраны (46), имеющей форму сильфона, сжимающейся и распрямляющейся внутри цилиндра (10) вдоль его оси в противофазе с распрямлением и сжатием первой гибкой мембраны (45); вторая сторона (40b) подвижного сепаратора (40), ограничивающая вторую камеру (48), находящуюся внутри расширяющейся и сжимающейся гибкой мембраны (46), содержащую переменный объем гидроприводной жидкости, связанную со вторым входом и выходом (32,33); а также кольцевую камеру (49), образованную между наружной поверхностью первой и второй мембран (45, 46) и внутренней стенкой цилиндра (10), которая в рабочем состоянии содержит жидкость, аналогичную гидроприводной жидкости по характеристикам.
17. Способ работы гидроприводного многоцилиндрового насоса, охарактеризованного в любом из пп.1-15, где первый вход и выход (21) связывают первые камеры (47) с перекачиваемой жидкостью под давлением, а вторые входы и выходы (31, 32) соединяют вторые камеры (48) с гидроприводной жидкостью, способ включает приведение в движение подвижные сепараторы (40) нескольких цилиндров в направлении от первой стороны (20) ко второй стороне (30) вдоль оси цилиндра (10) при ходе всасывания, чтобы заполнить первые камеры (47) перекачиваемой жидкостью и одновременно выдавить гидроприводную жидкость из соответствующих вторых камер (48), сопутствующее этому приведение в движение подвижных сепараторов (40) остальных цилиндров в направлении от второй стороны (30) к первой стороне (20) вдоль оси цилиндра (10) при ходе нагнетания посредством заполнения вторых камер (48) гидроприводной жидкостью под давлением, чтобы выдавить перекачиваемую жидкость из соответствующих первых камер (47), а также поддержание суммы объемов гидроприводной жидкости в указанных вторых камерах (48) цилиндров, в целом, постоянной и равной 1/2 суммарного вытеснительного объема цилиндров, определяемого как суммарный объем гидроприводной жидкости, перемещаемой в каждом цилиндре (10) в течение полного хода каждого подвижного сепаратора (40) туда и обратно внутри цилиндра, умноженный на количество цилиндров.
18. Способ по п.17, при котором все подвижные сепараторы (40) во время хода всасывания движутся с постоянной скоростью во всех цилиндрах (10.1-10.12), с переменной скоростью, зависящей от объема гидроприводной жидкости, подаваемой в цилиндры во время хода нагнетания.
19. Способ по п.17, при котором, по меньшей мере, один подвижный сепаратор (40) выполняет ход всасывания с относительно высокой скоростью, в то время как большее количество подвижных сепараторов (40) выполняют ход нагнетания с относительно низкой скоростью.
20. Способ по п.17, включающий запуск гидроприводного многоцилиндрового насоса согласно следующей процедуре:
заполнение цилиндров (10) различными объемами гидроприводной жидкости таким образом, чтобы цилиндры (10.1-10.12) содержали суммарный объем гидроприводной жидкости, равный 1/2 суммарного вытеснительного объема цилиндров (10.1-10.12);
приведение подвижных сепараторов (40) в поступательное движение с сохранением того же суммарного объема гидроприводной жидкости в цилиндрах (10.1-10.12).
