Объемный насос
Объемный насос (10) предназначен для вытеснения прокачиваемой текучей среды и содержит одну или несколько насосных камер (22), скомпонованных в систему труб для получения прокачиваемой текучей среды, которая имеет, по меньшей мере, одно входное отверстие (21'), способное перекрываться посредством клапана (24'), и, по меньшей мере, одно выходное отверстие (21''), способное перекрываться посредством клапана (24''). Одна или несколько насосных камер (22) соединены через, по меньшей мере, одну промежуточную камеру (13'') с, по меньшей мере, одним вытесняющим элементом в виде поршневой головки (14) и стержня (15) поршня, который приспособлен для поочередного выполнения такта впуска и такта вытеснения при его перемещении для вытеснения текучей среды в промежуточной камере (13''), которая таким образом увеличивает и уменьшает, соответственно, объем насосной камеры (22). По меньшей мере, один гибкий отделяющий элемент в виде диафрагмы (23) расположен в насосной камере (22) для отделения текучей среды в промежуточной камере (13'') от прокачиваемой текучей среды. Кроме того, предусматривается силовое средство для приложения силы или энергии к стороне, по меньшей мере, одной поршневой головки (14), по меньшей мере, в течение такта вытеснения таким образом, что сила или энергия противодействует силе, воздействующей на поршневую головку (14) со стороны текучей среды в промежуточной камере (13''), что, следовательно, уменьшает общую силу, требуемую для осуществления движения такта вытеснения поршневой головки (14) и стержня (15) поршня. Снижена нагрузка на движущиеся части. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Объемный насос используется для перекачки таких сред, как жидкости или газы. Также в данном описании раскрывается способ контроля работы объемного насоса. Следует принять во внимание, что способ и насос могут применяться для многих различных конструкций объемных насосов, включая многокамерные насосы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Объемные насосы широко используются. Такие насосы могут содержать одну или несколько насосных камер, каждая из которых имеет впускное и выпускное отверстия. При использовании, впускное и выпускное отверстия могут поочередно открываться и закрываться. В известных насосах каждая насосная камера может быть смонтирована с, по меньшей мере, одним вытесняющим элементом, который может быть приведен в движение посредством какого-нибудь приводного механизма, смонтированного смежно с насосной камерой. Во время его работы, вытесняющий элемент поочередно выполняет такт впуска и такт вытеснения, таким образом, увеличивая и уменьшая, соответственно, объем насосной камеры.
В некоторых вариантах осуществления известных насосов, насосная камера может иметь, по меньшей мере, один гибкий отделяющий элемент, который образует, по меньшей мере, часть ее боковой стенки и функцией которого является отделение вытесняющего элемента от жидкости, которая прокачивается через камеру.
Такие объемные насосы обычно используются в насосных и/или компрессорных системах для накачивания и/или вытеснения агрессивных и/или абразивных сред, таких как дисперсные глинистые растворы, или некоторых едких жидкостей или газов, которые могут находиться при высокой температуре или под высоким давлением. В одном варианте осуществления известного насоса, определенное количество вымещаемой среды вводится внутрь насосной камеры через впускное отверстие (и из системы труб) в течение такта впуска вытесняющего элемента, и то же самое количество среды вытесняется (или замещается) из насосной камеры через выпускное отверстие в течение такта вытеснения вытесняющего элемента.
Приводной механизм, который сообщает сдвигающее действие вытесняющему элементу, может быть линейным двигателем, магнитным приводом, гидравлическим приводом, приводом от распределительного вала, эксцентриковым приводом, стержневым механизмом кривошипного соединения, и т.д. При нормальных условиях работы вытесняющий элемент претерпевает такт вытеснения, нагруженный рабочим давлением, и слабонагруженный или без нагрузки такт впуска. В результате такого несбалансированного применения сил конструктивные размеры вытесняющего элемента и его соответствующие части находятся в зависимости от нагруженного такта вытеснения.
Целью настоящего изобретения является создание объемного насоса, в котором нагрузка на движущиеся части значительно снижена.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение создает объемный насос для вытеснения прокачиваемой текучей среды, содержащий одну или несколько насосных камер, объединенных в систему труб для приема текучей среды, имеющую, по меньшей мере, одно впускное отверстие, приспособленное перекрываться посредством клапана, и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие, приспособленное перекрываться посредством другого клапана, при этом одна или несколько насосных камер соединены через, по меньшей мере, одну промежуточную камеру с, по меньшей мере, одним вытесняющим элементом, способным поочередно выполнять такт впуска и такт вытеснения при его перемещении для вытеснения промежуточной текучей среды в промежуточной камере, таким образом увеличивая и уменьшая, соответственно, объем насосной камеры, причем, по меньшей мере, один гибкий отделяющий элемент, расположенный в насосной камере для отделения текучей среды в промежуточной камере от прокачиваемой текучей среды, и силовое средство, использующее рабочую текучую среду и предназначенное для приложения силы или энергии к стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента в, по меньшей мере, течение такта вытеснения таким образом, что сила или энергия противодействует силе, воздействующей на вытесняющий элемент со стороны текучей среды в промежуточной камере, таким образом уменьшая общую силу, требуемую для осуществления перемещения такта вытеснения вытесняющего элемента.
В одном варианте осуществления, рабочая текучая среда является промежуточной текучей средой в промежуточной камере.
Вытесняющий элемент способен перемещаться приводным механизмом, расположенным на одной стороне насосной камеры.
В одном варианте осуществления, силовое средство способно снабжаться силой или энергией, создаваемой во время такта впуска.
В результате воздействия дополнительной силы на вытесняющий элемент нагрузка, которой подвергаются различные части во время работы вытесняющего устройства, может быть значительно снижена.
Более того, так как вытесняющий элемент не находится в прямом контакте с прокачиваемой жидкостью, а отделен при помощи отделяющего элемента и промежуточной камеры, компенсационные силы могут быть приложены непосредственно к вытесняющему элементу, поскольку этот вытесняющий элемент работает в чистой промежуточной жидкости, в дальнейшем ограничивая его конструктивные размеры. Путем компенсирования нагруженного такта вытеснения и нагрузки ненагруженного такта впуска приблизительной такой же компенсационной силой, общая нагрузка распределяется по всему ходу вытесняющего элемента. Весь механизм привода может быть нагружен гораздо большей энергией вытеснения или может использоваться привод, имеющий меньшие размеры, при тех же самых условиях работы.
В одном варианте осуществления, силовое средство может располагаться на стороне вытесняющего элемента, которая противоположна стороне, на которой расположена насосная камера.
В еще одном альтернативном варианте осуществления, силовое средство может содержать учитывающий давление газа накопитель для рабочей среды, который сообщен со стороной вытесняющего элемента, противоположной стороне, на которой расположена насосная камера. Таким образом, противодавление или противонаправленная сила могут эффективно воздействовать на вытесняющий элемент, в частности, во время такта вытеснения, приводя в результате к уменьшению сил или нагрузок на движущиеся части аппарата. В одном случае, рабочая среда может быть средой, позволяющей увеличивать давление, в частности, газом. В таком варианте осуществления, накопитель может функционировать как резервуар для жидкости, которая вытесняется внутрь и наружу накопителя в зависимости от позиции вытесняющего элемента.
В одном варианте осуществления, сторона, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, которая противоположна стороне, на которой расположена насосная камера, может сообщаться со стороной, по меньшей мере, одного другого вытесняющего элемента, который также расположен на противоположной стороне другой соответствующей насосной камеры, обеспечивая вытеснение промежуточной текучей среды через вытесняющий элемент. В одном случае такого расположения, ряд вытесняющих элементов могут быть взаимно сдвинуты по фазе относительно друг друга таким образом, что объем на сторонах вытесняющих элементов, которые сообщаются друг с другом, будет непрерывным, и сумма объемов останется существенно или полностью постоянной.
Другими словами, когда силовым средством является текучая среда, в то время как один вытесняющий элемент вытягивается (удлиняется) на такте вытеснения, другой из вытесняющих элементов втягивается (сокращается) на такте впуска в тот момент так, что жидкость может течь из области за одним вытесняющим элементом в область за соответствующим другим вытесняющим элементом. Преимущество этого состоит в том, что различные насосные секции насоса поддерживают одна другую замкнутым образом. В результате рабочая среда, находящаяся под давлением, эффективно используется, так что указанная среда может в любое время поддержать такт подачи различных насосных камер насоса. В одном конкретном случае данного расположения, непрерывный объем может быть определен в пределах трубопровода (системы труб).
В одном варианте осуществления, единственный или каждый вытесняющий элемент может быть плунжерным поршнем.
В одном варианте осуществления, единственный или каждый гибкий отделяющий элемент может образовывать стенку или часть стенки промежуточной камеры, обращенной к насосной камере.
В одном варианте осуществления, силовое средство может дополнительно включать в себя насосный элемент, приспособленный для вытеснения промежуточной среды по направлению к стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, которая противоположна стороне, на которой расположена насосная камера.
В одном варианте осуществления, силовое средство может управляться частично на основе давления, присутствующего в выпускном отверстии и возможно также во впускном отверстии системы труб.
В одном варианте осуществления, силовое средство может управляться частично на основе температуры, присутствующей на стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, к которой приложена сила.
В одном варианте осуществления, силовое средство может управляться частично на основе давления, присутствующего на стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, к которой приложена сила.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Несмотря на любые другие модификации в объеме способа и насоса, раскрытых в сущности изобретения, ниже описаны отдельные варианты осуществления способа и насоса в виде примеров и со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает внешний вид в перспективе известного объемного насоса;
фиг.2а - схематический вид первого, частичного варианта осуществления объемного насоса в соответствии с изобретением;
фиг.2b - схематический вид другого частичного варианта осуществления объемного насоса в соответствии с изобретением;
фиг.2с - схематический вид еще одного, частичного варианта осуществления объемного насоса в соответствии с изобретением;
фиг.3 - схематический вид частичного варианта осуществления объемного насоса, согласно данному изобретению;
фиг.4 - схематический вид частичного варианта осуществления объемного насоса, согласно данному изобретению;
фиг.5а - схематический вид объемного насоса, согласно данному изобретению;
фиг.5b - схематический вид объемного насоса, согласно данному изобретению;
фиг.5с - схематический вид объемного насоса, согласно данному изобретению;
фиг.6а - диаграмма некоторых экспериментальных измерений нагрузки вытесняющего элемента, выполненных с использованием объемного насоса и с балансировкой нагрузки и без нее, где балансировка нагрузки осуществляется при помощи насоса, находящегося в соответствии с данным изобретением;
фиг.6b - диаграмма теоретических вычислений индивидуальных скоростей потока жидкости, созданных индивидуальными вытесняющими элементами, как функции угла поворота коленчатого вала, осуществленных с использованием объемного насоса, имеющего сочетания из трех вытесняющих элементов, промежуточной камеры, насосной камеры и гибкого отделяющего элемента, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Для правильного понимания изобретения, аналогичные элементы обозначены одинаковыми числами в описании чертежей ниже.
Фиг.1 показывает вариант осуществления известного объемного насоса. Насос 10 включает в себя три насосные камеры 12а-с, расположенные в корпусе 12 насоса, соединенном с картером 11.
Насос 10 в данном случае выполнен как устройство тройного вытеснения. В данном варианте осуществления, насосная камера 12 содержит три насосные секции, скомпонованные как цилиндроплунжерный комплекс, с цилиндрами 13а-13с. Внутри камер цилиндров 13а-13с расположены поршни 14а-14с (не показаны), которые функционируют как вытесняющие элементы. Как показано на чертеже, каждый поршень 14а-14с соединен со стержнем 15а-15с поршня (см. фиг.3 и 4), а стержень 15а-15с поршня соединен с приводным механизмом. В данном варианте осуществления приводной механизм скомпонован как коленчатый вал, смонтированный для вращения в картере 11, который приводится в движение приводным валом 111 через внутреннюю зубчатую передачу в данном случае.
Посредством вращающегося коленчатого вала 110 поршни 14а-14с взаимно перемещаются в камерах цилиндров 13а-13с, формируя часть насосной камеры посредством нескольких стержней 15а-15с.
Для вытеснения среды, текущей через систему труб, предусмотрена комбинация вытесняющего элемента в виде поршневой головки 14 и стержня 15 поршня, которые могут сдвигаться внутрь и наружу насосной камеры 22 при помощи приводного механизма (не показан). В результате сдвигающего действия поршневая головка 14 и стержень 15 поршня осуществляют такт впуска, так же как такт вытеснения. Во время такта впуска поршневая головка 14 движется в направлении справа налево (с точки обзора на фиг.2а), таким образом увеличивая объем пространства 22 насосной камеры. Через впускное отверстие 21' прокачиваемая жидкость или смесь вводится в объем пространства 22 насосной камеры сквозь однонаправленный клапан 24', который открывается в данной ситуации. Пространство становится больше, так как жидкость в промежуточной камере движется справа налево и гибкий отделяющий элемент в виде диафрагмы 23 также оттягивается влево, в сторону поршневой головки 14.
Во время такта вытеснения, когда поршневые головки 14 и 15 поршня двигаются слева направо, как показано на фиг.2а, объем пространства насосной камеры 22 сокращается и жидкость или смесь, присутствующие в указанном пространстве насосной камеры вытесняется через выпускное отверстие 21''. Однонаправленный клапан 24'' открывается, в то время как однонаправленный клапан 24' со стороны впускного отверстия 21' остается закрытым. Жидкость в промежуточной камере 13а движется слева направо и, как показано на фиг.2а, диафрагма 23 также выталкивается направо и от поршневой головки 14.
Для выравнивания результирующих сил, воздействующих на стержень 15 и приводной механизм во время сдвигающего действия поршневой головки 14 в течение целого такта смещения, предусмотрено силовое средство, посредством которого энергия, хранящаяся во время такта впуска, подается в течение последующего такта вытеснения, таким образом освобождая, по меньшей мере, часть силы, требуемой для осуществления такта вытеснения. В варианте осуществления, показанном на фиг.2а, силовое средство сконфигурировано как пружинный элемент 161, который может быть предварительно нагружен и который закреплен на дне 130 камеры цилиндра 13. Пружинный элемент 161 воздействует силой на поршневую головку 14, которая движется внутри камеры цилиндра 13.
Фиг.2b показывает другой вариант осуществления силового средства 16 в соответствии с изобретением, в котором силовое средство содержит накопитель 162, в котором расположен отделяющий элемент 166, разделяющий пространство накопителя 16 на первое пространство 168 и второе пространство 167. Первое пространство 168 заполняется газом, который отделяется от рабочей среды, присутствующей во втором пространстве 167, возможно, гибкой мембраной 166. Газ, присутствующий в первом пространстве 168, может быть, например, сжатым воздухом под давлением, тогда как среда, присутствующая во втором пространстве, может быть, например, жидкостью. Рабочая среда воздействует силой на головку 14, так как накопитель 162 сообщается с пространством 13' цилиндра 13, в котором движется головка 14 во время использования.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2 с, силовое средство также содержит накопитель 16, который в этом случае полностью заполняется газообразной рабочей средой и в котором отделяющий элемент 166, как показано на фиг.2b, отсутствует.
Фиг.3, 4, 5а и 5b показывают объемный насос, в данном варианте осуществления трехцилиндровое устройство вытеснения, хотя фиг.3 и 4 показывают лишь деталь одной из трех комбинаций вытесняющего элемента в виде поршневой головки 14 и стержня 15 поршня, промежуточную камеру 13'', насосную камеру 22 и гибкий отделяющий элемент в виде диафрагмы 23. Промежуточная среда присутствует в промежуточной камере 13''. В некоторых вариантах осуществления промежуточной средой может быть несжимаемая текучая среда, такая как жидкость. В некоторых вариантах осуществления диафрагма не является отдельным элементом, а образует одну стенку (или секцию стенки) промежуточной камеры, обращенную к насосной камере.
Во время возвратно-поступательного движения внутри камер цилиндров 13а'-13с', каждая поршневая головка 14а-14с вытесняет промежуточную жидкость, присутствующую в промежуточной камере 13'', в направлении гибкого отделяющего элемента в виде диафрагмы или гибкого трубопровода 23. Диафрагма или гибкий трубопровод 23 изолирует насос 10 от насосной камеры 22, которая смонтирована в трубопроводе посредством соединения фланцев 21а'-21а'', через которые потоки агрессивной или абразивной жидкости, например, могут прокачиваться. Гибкий отделяющий элемент также может быть шлангообразным элементом.
Во время такта вытеснения или подачи, движение вытесняющего элемента гидравлически передается диафрагме 23 через промежуточную жидкость в промежуточной камере 13'', диафрагма 23 так же растягивается и откачивает прокачиваемую жидкость или глинистый раствор, присутствующие в насосной камере 22, через одно из двух фланцевых соединений 21 а и 21b, соответственно. Как ясно показано на фиг.3 и 4, трубопровод 21а'-21а'' оснащается однонаправленными клапанами 24а' и 24а'', которые, таким образом, позволяют вытеснять прокачиваемую жидкость или глинистый раствор посредством гибкой диафрагмы 23а, движущейся возвратно-поступательно, через впускное отверстие 21а' в направлении выпускного отверстия 21а''. Для поглощения любых пульсаций в прокачиваемом потоке глинистого раствора предусмотрено так называемое устройство гашения пульсаций 25а в нижней части трубопровода 21а''.
Для того снижения нагрузки, воздействующей на стержень 15а-15с поршня и поршневую головку 14а-14с, в то время как насос приводится в движение посредством коленчатого вала 110, стержня коленчатого вала, соединительного стержня и ползуна (не показаны), предусмотрено силовое средство, прикладывающее дополнительную силу со стороны соответствующей поршневой головки 14а-14с на противоположной стороне диафрагмы 23.
Хотя в первом варианте осуществления силовое средство может иметь вид пружинного элемента 161, укрепленного вокруг стержня 15 поршня (фиг.2а), который поддерживает и поршневую головку 14а-14с, и дно 130 камеры цилиндра 13, в другой форме силовое устройство может содержать рабочую среду, позволяющую увеличивать давление, получаемую из резервуара-хранилища 160 (фиг.3 или 4). Упомянутая среда, позволяющая увеличивать давление, может быть средой, подаваемой в первую камеру цилиндра 13а'-13b'-13с' корпуса 13а-13с с помощью насоса 161, клапана 162 и питающего трубопровода 16d и 16а-16с, соответственно.
Повышение давления системы компенсации силы имеет место один раз при вводе в эксплуатацию насоса, после чего оно используется только для пополнения или компенсации потерь в результате утечки, для регулирования изменений давления нагнетания (давления на выходе) насоса или для обновления жидкости в целях контроля температуры. Обратная линия (обратный трубопровод) 163 с предназначено для накопления излишков промежуточной рабочей среды в резервуаре-хранилище 160.
Повышение давления системы компенсации силы может осуществляться посредством самого насоса, более конкретно, посредством промежуточной жидкости, которая возвращается из промежуточной камеры 13'' через трубопровод обратной связи 163d, к клапану 162 и питающему трубопроводу 16d и 16а-16с, соответственно. Такой вариант осуществления показан на фиг.4.
В таких вариантах монтажа сила или давление дополнительной жидкости воздействуют на поршневую головку 14а-14с во время такта подачи, в результате чего нагрузка на различные части, как результат действующих сил, имеющих место во время использования, снижается, как уже было описано в отношении вариантов осуществления с единственным вытесняющим элементом. Таким образом, по существу, подающие силу движущиеся части (детали) насоса 10 могут быть сконструированы или используемы при меньших размерах при тех же самых рабочих условиях.
Фиг.4 показывает альтернативный еще один вариант осуществления, в котором промежуточная камера 13а''-13с'' каждой насосной секции соединена с клапаном 162 через трубопровод 163d. В данном варианте монтажа жидкая среда, присутствующая в промежуточной камере 13а''-13с'' во время такта подачи, может нагнетаться под давлением и быть использована для подачи в первую камеру 13а'-13b' давления другой насосной секции. Аналогично, жидкая среда, присутствующая в камере 13а'-13с' первого цилиндра, может нагнетаться в камеру 13а'-13с' первого цилиндра другой насосной секции через трубопровод 16а-16с и общий трубопровод 16d (или коллектор) во время такта впуска, другая насосная секция одновременно осуществляет такт вытеснения или подачи.
В этом отношении различные секции поддерживают друг друга при поочередном выполнении такта подачи и такта впуска путем возвратно-поступательного вытеснения жидкой среды под давлением. Таким образом, силы, которые необходимо приложить силовому средству, коленчатому валу и приводам к различным движущимся частям в течение тактов подачи, значительно уменьшаются, так что различные части могут быть спроектированы меньших размеров. Это может дать в результате более компактный модуль приводного механизма или модель коленчатого вала для насоса, который, в дополнение, может быть более дешевым в производстве.
В некоторых вариантах монтажа, жидкость, используемая для уменьшения сил, воздействующих на поршни и стержни поршней, является той же промежуточной средой, которая используется для движения гибкой диафрагмы 23а-23с (23) во время тактов подачи и впуска различных секций.
Фиг.5а, 5b и 5с показывают дальнейшую модификацию вариантов осуществления, представленных на фиг.3 и 4, выполненные из трех секций вытеснения, каждая из которых контролируется силовым средством некоего типа. В вариантах осуществления, показанных на фиг.5а-5с, используется накопитель 163, как показано на фиг.2с, который, в отличие от варианта осуществления с одним цилиндром, обеспечивает только небольшую эластичность в данном случае, благодаря увеличениям и уменьшениям объема камер 13а'-13с', а эти камеры 13а'-13с', в ином случае, компенсируют друг друга по объему во время использования. В вариантах осуществления, показанных на фиг.5а-5с, требуется некоторая эластичность для компенсации термальных эффектов, небольших механических (конструкционных) различий (таких как неточный фазовый контроль различных вытесняющих элементов) и небольших потерь в результате утечки.
Вариант осуществления на фиг.5а раскрывает конструкцию силового средства пассивного управления, согласно данному изобретению. Рабочая текучая среда, позволяющая нагнетать давление, хранится в резервуаре-хранилище 160, который соединен с питающим трубопроводом 16d. Питающий трубопровод 16d, кроме того, соединен с камерами 13а''-13с'' через соответствующие линии 163а-с, в каждой из которых расположен обратный клапан 170, позволяющий вытеснять жидкость промежуточной камеры во время тактов впуска и вытеснения в питающий трубопровод 16d и отсюда в сторону поршневой головки 14а-14с, расположенной на расстоянии от гибкой диафрагмы 23а-23с.
Обратный клапан в линии 163а-с обеспечивает давление жидкости в балансирующем коллекторе или питающем трубопроводе 16d во время такта выпуска индивидуальных цилиндров. Отверстие 171 в сливном трубопроводе 172 к резервуару 160 дает постоянную утечку из трубопровода 16d по направлению к резервуару 160. Эта утечка компенсируется вновь через питающую линию 163а-с. Поскольку давление в трубопроводе 16d падает из-за дренажного стока по направлению к резервуару 160, оно падает ниже давления нагнетания (давления на выходе) в промежуточных камерах 13а''-13с'' в течение такта выпуска плунжера. Давление в трубопроводе 16d тогда автоматически увеличивается путем выпуска из промежуточной камеры 13а''-13с'' жидкости, которая течет сквозь оборотные клапаны 170 через линию 163а-с. Промежуточная камера снова наполняется с помощью системы контроля «нормального» положения диафрагмы.
Упомянутая постоянная утечка дает постоянное обновление жидкости в трубопроводе 16d, что обеспечивает охлаждение и автоматический контроль давления в трубопроводе 16d, такой, что это давление равно давлению нагнетания насоса.
На фиг.5b и 5с показаны два различных способа для активного управления силовым средством. Датчик давления 180, расположенный внутри устройства 25а гашения пульсации или в выпускной трубе 21а'' и датчик 181 давления расположен во впускной трубе 21а'. Оба датчика давления подсоединены к устройству 182 управления через сигнальные линии 180а и 181а, соответственно. Устройство 182 управления управляет клапаном 162 для обеспечения прохождения рабочей жидкости для повышения давления. Устройство 182 также управляет клапаном 164 для выпуска рабочей жидкости для снижения давления в системе.
Далее в устройство для контроля клапанов 162 и 164 поступают сигналы от температурного датчика 183 и датчика 184 давления, расположенных в питающем трубопроводе 16d.
Используя сигналы, полученные датчиками 180-181 давления, устройство 182 вычисляет оптимальное рабочее давление в питающем трубопроводе 16d, вычисленное рабочее давление устанавливается путем управления двумя клапанами 162 и 164. Кроме того, температуру рабочей среды, присутствующей в питающем трубопроводе 16d, можно контролировать с помощью устройства 182 контроля, открывая и закрывая клапаны 162 и 164, основываясь на измерениях температуры температурным датчиком 183 и датчиком 184 давления, таким образом, обновляя рабочую среду (жидкость) силового средства.
На фиг.5b насос 161 используется для циркулирования промежуточной жидкости из резервуара-хранилища 160 по питающему трубопроводу 16d, тогда как избыточная промежуточная жидкость может вернуться в резервуар 160 по сливному трубопроводу 172а-с.
На фиг.5с насосный элемент 161 отсутствует, поскольку в данном случае промежуточная среда подается по трубопроводу 163а-с из камер 13а''-13с'' к питающему трубопроводу 16d во время такта нагнетания вытесняющих элементов 14а-14с.
Следует отметить, что эти особенности, как показано на фиг.5b и 5с, могут также использоваться в вариантах осуществления на фиг.3 и 4.
В отношении фиг.4 и 5с следует указывать, что для циркуляции в промежуточной камере жидкости, предназначенной для увеличения давления в системе компенсации силы, не используется никакой насосный элемент 161 (как показано на фиг.3). Фактически, в варианте осуществления на фиг.4, жидкость в промежуточной камере может нагнетаться из трубопровода 163d во время такта нагнетания объемного насоса. Следовательно, в варианте осуществления на фиг.4 максимальное давление промежуточной жидкости в питающем трубопроводе 16d равно максимальному давлению в камерах 13а''-13b''-13с''. Для снижения давления в питающем трубопроводе 16d в случае уменьшения рабочего давления, контрольному устройству 182 необходимо управлять клапаном 162 для нагнетания жидкости промежуточной камеры.
Вариант осуществления на фиг.4 имеет преимущество перед вариантом осуществления на фиг.3, состоящее в том, что требуется дополнительный насос для нагнетания давления в питающем трубопроводе 16d.
Однако также максимальное давление в питающем трубопроводе 16d ограничивается максимальным давлением, подаваемым объемным насосом, тем не менее, этот недостаток устраняется в варианте осуществления на фиг.3. Здесь использование насосного элемента 161 делает возможным формирование более высоких давлений в питающем трубопроводе 16d, фактически более высоких, чем давление в камерах 13а''-13с''. Более высокие давления могут позволять вытеснять меньшие количества промежуточной жидкости из и внутрь питающего трубопровода 16d, в дальнейшем снижая конструктивные размеры помповой установки. Также во время работы насоса может выделяться меньшее количество тепла. Давление в питающем трубопроводе 16d можно также контролировать более точно, используя измерения давления с помощью датчиков 180 и 181.
В качестве примера, автор изобретения делал некоторые экспериментальные измерения для иллюстрации результата применения силового средства к стороне вытесняющего элемента в варианте монтажа насоса, в котором насосные камеры являются смежными (примыкающими) или находятся в жидкостной связи.
Фиг.6а показывает сделанные автором изобретения измерения нагрузки стержня 15 поршня (сила, измеренная в килоньютонах, кН) в объемном насосе с использованием и без использования силового средства, согласно данному изобретению. Пунктирная линия показывает измерение без применения силового средства, а сплошная линия - с применением силового средства. Как видно из фиг.6а, нагрузка на стержень поршня без применения силового средства возрастает от примерно нулевого уровня во время такта впуска до некоторого максимального уровня во время такта нагнетания. Когда применяется силовое средство (в этом случае, постоянное давление жидкости в балансирующем коллекторе 16d), максимальная нагрузка в течение такта нагнетания снижается, а нагрузка около нуля во время такта впуска возрастает, но в противоположном направлении (знак минус). Следовательно, для этого случая, максимальная абсолютная нагрузка снижается. Поскольку движущиеся средства должны быть спроектированы с учетом максимального абсолютного значения (не принимая во внимание знак) нагрузки стержня поршня, приводной механизм, следовательно, может быть сконструирован с меньшими размерами, так как эта максимальная абсолютная нагрузка ниже, чем в варианте монтажа без силового средства, согласно данному изобретению.
Фиг.6b показывает теоретическое вычисление индивидуальных потоков, сформированных индивидуальными вытесняющими элементами, противоположными гибким отделяющим элементам в виде пунктирных линий, в случае трехцилиндрового объемного насоса, использующего в качестве приводного механизма шатун коленчатого вала. Сплошная линия показывает сумму трех индивидуальных потоков, которая равна нулю, когда между индивидуальными шейками коленчатого вала и соответствующими поршнями используется угол совпадающей фазы. Нулевая сумма этих потоков гарантирует, что объем в балансирующем коллекторе 16d является постоянным во время цикла насоса (одного оборота коленчатого вала), следовательно, ограничивается необходимый размер накопителя, который тогда требуется только для компенсирования небольших различий объемов из-за несовпадения фаз поршней, теплового расширения жидкости и небольших утечек. Накопитель также делает систему контроля менее чувствительной, когда ей приходится реагировать на незначительные изменения давления нагнетания и обновление жидкости для контроля температуры.
В дальнейшем варианте монтажа, альтернативном описанным вариантам осуществления, выбранное силовое средство необязательно является одним и тем же силовым средством в каждой из камер поршней, и для удобства другое силовое средство может использоваться в одной или нескольких камерах. Например, одноцилиндровая камера может быть оснащена пружиной, тогда как другие камеры могут быть заполнены жидкостью. Некоторые камеры могут быть взаимосвязаны посредством общего коллектора или с другим типом корпуса без необходимости таким способом соединять камеры. В дальнейших вариантах осуществления, камеры цилиндров также необязательно должны быть одинаковых размеров.
В вышеизложенном детальном описании предпочтительных вариантов осуществления для полной ясности использовалась специфическая терминология. Однако, как описано, не подразумевается, что данное изобретение ограничивается выбранными специфическими формулировками, и необходимо понимать, что каждая специфическая формулировка включает в себя все технические эквиваленты, используемые аналогичным образом для достижения аналогичной технической цели. Выражения, такие как «выше», «ниже», «право», «лево» и подобные, используются как удобные слова для предоставления исходных точек (ориентиров) и не должны истолковываться как ограничительные формулировки.
Чтобы избежать повторений и для легкости ссылки, аналогичные компоненты и характеристики альтернативных вариантов осуществления, показанные на разных чертежах, обозначены дополнительными символами, так как, например, поршневая головка 14, 14а, 14b и 14с.
Поскольку данное изобретение описывалось со ссылками на ряд предпочтительных вариантов осуществления, следует принять во внимание, что изобретение может быть реализовано во многих других формах.
1. Объемный насос для вытеснения прокачиваемой текучей среды, содержащий одну или несколько насосных камер, объединенных в систему труб для приема текучей среды, имеющую, по меньшей мере, одно впускное отверстие, приспособленное перекрываться посредством клапана, и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие, приспособленное перекрываться посредством другого клапана, при этом одна или несколько насосных камер соединены через, по меньшей мере, одну промежуточную камеру с, по меньшей мере, одним вытесняющим элементом, способным поочередно выполнять такт впуска и такт вытеснения при его перемещении для вытеснения промежуточной текучей среды в промежуточной камере, таким образом увеличивая и уменьшая соответственно объем насосной камеры, по меньшей мере, один гибкий отделяющий элемент, расположенный в насосной камере для отделения текучей среды в промежуточной камере от прокачиваемой текучей среды, и силовое средство, использующее рабочую текучую среду и предназначенное для приложения силы или энергии к стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, в, по меньшей мере, течение такта вытеснения таким образом, что сила или энергия противодействует силе, воздействующей на вытесняющий элемент со стороны текучей среды в промежуточной камере, таким образом, уменьшая общую силу, требуемую для осуществления перемещения такта вытеснения вытесняющего элемента.
2. Объемный насос по п.1, в котором рабочая текучая среда является промежуточной текучей средой в промежуточной камере.
3. Объемный насос по п.1 или 2, в котором вытесняющий элемент способен перемещаться приводным механизмом, расположенным на одной стороне насосной камеры.
4. Объемный насос по п.1 или 2, в котором силовое средство способно снабжаться силой или энергией, создаваемой во время такта впуска.
5. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство расположено на стороне вытесняющего элемента, противоположной стороне, на которой расположена насосная камера.
6. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство содержит учитывающий давление накопитель для рабочей текучей среды, сообщенный со стороной, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента на противоположной стороне полости насосной камеры.
7. Объемный насос по п.1, в котором рабочая текучая среда является текучей средой, позволяющей повысить давление, в частности, газом.
8. Объемный насос по п.1, в котором сторона, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, противоположная стороне, на которой расположена насосная камера, сообщена со стороной, по меньшей мере, одного другого вытесняющего элемента, который также расположен на противоположной стороне другой соответствующей насосной камеры, обеспечивая вытеснение промежуточной текучей среды через вытесняющий элемент.
9. Объемный насос по п.1, в котором несколько вытесняющих элементов способны взаимно сдвигаться по фазе относительно друг друга таким образом, что объем на сторонах вытесняющих элементов, сообщенных друг с другом, является непрерывным, и сумма объемов останется, по существу, полностью постоянной.
10. Объемный насос по п.8 или 9, в котором непрерывный объем образован в трубопроводе.
11. Объемный насос по п.1, в котором единственный или каждый вытесняющий элемент является плунжерным поршнем.
12. Объемный насос по п.1, в котором единственный или каждый гибкий отделяющий элемент формирует стенку или часть стенки промежуточной камеры, обращенной к насосной камере.
13. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство содержит насосный элемент, приспособленный для вытеснения промежуточной текучей среды по направлению к стороне, на которой расположена насосная камера.
14. Объемный насос по п.1, в которой обе стороны насосной камеры, смежные с вытесняющим элементом, сообщены друг с другом, обеспечивая вытеснение промежуточной жидкости от стороны насосной камеры на стороне гибкого отделяющего элемента, по направлению к другой стороне насосной камеры.
15. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство способно управляться частично на основе давления, присутствующего в выпускном и/или впускном отверстиях системы труб.
16. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство способно управляться частично на основе температуры, присутствующей на стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, к которой приложена сила.
17. Объемный насос по п.1, в котором силовое средство способно управляться частично на основе давления, присутствующего на стороне, по меньшей мере, одного вытесняющего элемента, к которой приложена сила.
18. Объемный насос по п.1, в котором контроль температуры возможен посредством обмена текучей среды в камере цилиндра на стороне вытесняющего элемента, противоположной стороне, на которой расположена насосная камера.
