Всасывающий клапан аксиально-плунжерного гидронасоса
Владельцы патента RU 2568021:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
Изобретение относится к конструктивным элементам аксиально-плунжерных гидронасосов, предназначенных для работы в морской воде и использующих морскую воду в качестве рабочей жидкости. Всасывающий клапан выполнен совместно с плунжером и расположен в торце плунжера. Состоит из запорного элемента, седла, роль которого выполняет торцевая поверхность плунжера. Пружина прижимает клапан к седлу. В качестве рабочей жидкости насоса используется морская вода. Запорный элемент клапана выполнен из стойкого против морской воды полимера - полиарилэфиркетона VICTREX РЕЕК. Седло клапана сделано из антикоррозионного титанового сплава. Из антифрикционной связки пар трения «материал VICTREX РЕЕК - азотированный титан» выполнены опоры плунжеров со всасывающими клапанами, блок цилиндров для плунжеров, опоры плунжеров со всасывающими клапанами и подшипники скольжения насоса. При скольжении клапана по направляющей седла обеспечивается пара трения, работающая в отсутствие смазки и без коррозии в агрессивной морской воде. Плунжер выполнен пустотелым, а седло плунжера под всасывающий клапан выполнено в виде ввернутого в него полого стержня. Значительно улучшается работа всасывающего клапана каждого плунжера насоса и самого насоса в условиях работы с агрессивной и маловязкой морской водой в качестве рабочей жидкости. Улучшаются коррозионная стойкость и антифрикционные свойства подвижных элементов насоса, в том числе всасывающих клапанов плунжеров, контактирующих с агрессивной морской водой. Уменьшены утечки рабочей жидкости по плунжерам и увеличен КПД насоса. 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к конструктивным элементам аксиально-плунжерных насосов, предназначенных для работы в специфических условиях и со специфическими рабочими жидкостями, конкретно: в морской воде на разных морских глубинах и использующих морскую воду в качестве рабочей жидкости.
Уровень техники
Известен аксиально-плунжерный объемный (объемного принципа действия) водяной насос, представленный в опубликованной китайской патентной заявке CN 1218874 (А) (МПК F04B 1/12; F04B 1/16, опубл. 09.06.1999, соответствующий опубликованный китайский патент CN 1093601 (С)) и предназначенный для перекачивания с высоким давлением морской воды и других низковязкостных жидкостей в качестве рабочих жидкостей. В насосе имеется клапан с эластомерным уплотнением, плунжер, с разных сторон от которого находятся надежно разделенные вода и масло. Основная пара трения смазывается маслом. Как утверждают авторы, насос имеет простую конструкцию, хорошую всасывающую способность, высокий КПД и надежность.
Однако этот насос не полностью заполнен морской водой и имеет масляную камеру (поз. 18 на фиг. 1, 2 описания аналога), которая герметично отделена от перекачиваемой воды. Такая конструкция с трудом может быть использована для насоса, работающего на большой глубине с большим давлением окружающей водной среды, так как будут неизбежные перетечки воды в масло и наоборот. При этом всасывающие клапаны (поз. 21 фиг. 1 описания аналога) насоса расположены не в плунжерах, а непосредственно в корпусе насоса, что является традиционным техническим решением.
Наиболее близким аналогом по конструкции предлагаемого всасывающего клапана и насоса в целом с такими клапанами можно признать исполнение аналогичного всасывающего клапана в конструктивном варианте насоса, показанного на фиг. 7 описания американского патента US 535418 1A Hydraulic piston pumps equipped with suction valve (Гидравлические плунжерные насосы, оснащенные всасывающим клапаном) (МПК F04B 53/10; F04B 53/12; F04B 1/14; F04B 1/12; опубл. 11.10.1994). Аксиально-плунжерный насос, в котором плунжерам сообщается попеременное возвратно-поступательное движение через опоры (17) посредством кулачка (6) на валу, установленном в подшипниках качения, при этом устройство, выполняющее роль всасывающего клапана, выполнено совместно с каждым плунжером (14), в то время как давление нагнетания постоянно подается внутрь опоры (17), посредством чего указанная опора (17) взаимодействует с указанным кулачком (6). Всасывающий клапан расположен в торце плунжера (14) и состоит из элементов: кольцевой запорный элемент (41); седло, роль которого выполняет торцевая поверхность плунжера; пружина (40), прижимающая клапан к седлу. В указанном конструктивном варианте рабочая жидкость попадает через расточку (39) в плунжере (14) и далее через отверстия (42) в рабочую камеру (9) цилиндра с плунжером. Роль всасывающего клапана - открывать отверстия (42) для прохода жидкости при ходе плунжера на всасывание и закрывать их при ходе плунжера на нагнетание.
Однако указанный насос предназначен для работы на вязком масле в качестве рабочей жидкости, а указанная расточка (39) в плунжере уменьшает длину плунжера, отвечающую за отделение рабочей камеры от области всасывания. Чем меньше длина сопрягаемых поверхностей, по которым идет утечка рабочей жидкости, тем больше величина самой утечки. Это особенно важно при работе насоса на воде (в том числе морской) с низкой величиной вязкости и низкой смазывающей способностью в отличие от масла. Также в указанном насосе в связи с использованием масла в качестве рабочей жидкости не возникает проблем при использовании подшипников качения. И еще есть ряд мест возможного улучшения конструкции и применения других материалов в ней с учетом условий работы с морской водой в качестве рабочей жидкости насоса.
Раскрытие изобретения
Задача предлагаемого изобретения - значительное улучшение приспособления конструкции всасывающего клапана каждого плунжера аксиально-плунжерного насоса и самого насоса к условиям работы с агрессивной и маловязкой морской водой в качестве рабочей жидкости.
Технический результат - улучшение коррозионной стойкости и антифрикционных свойств подвижных элементов насоса, в том числе всасывающих клапанов плунжеров, контактирующих с агрессивной морской водой.
Всасывающий клапан аксиально-плунжерного гидронасоса расположен в торце плунжера и состоит из следующих элементов: кольцевой запорный элемент; седло в торце плунжера; пружина, прижимающая кольцевой запорный элемент клапана к седлу. Всасывающий клапан выполнен с возможностью открывания отверстий в седле клапана для прохода жидкости в плунжер при ходе плунжера на всасывание и закрывания их при ходе плунжера на нагнетание. При этом с учетом морской воды в качестве рабочей жидкости кольцевой запорный элемент указанного клапана выполнен из стойкого против морской воды полимера - полиарилэфиркетона VICTREX РЕЕК (производства компании Victrex plc), а седло клапана сделано из антикоррозионного титанового сплава; из антифрикционной связки пар трения «материал полиарилэфиркетон VICTREX РЕЕК - азотированный титан» также выполнены опоры плунжеров со всасывающими клапанами, блок цилиндров для плунжеров и подшипники скольжения насоса. Таким образом, при скольжении клапана по направляющей седла обеспечивается пара трения, работающая в отсутствие смазки и без коррозии в агрессивной морской воде.
Прототипный насос предназначен для работы с маслом в качестве рабочей жидкости, в связи с этим в нем не возникает проблем со смазкой используемых подшипников качения. Это невозможно сделать в конструкции нового насоса, так как подшипники качения не работают без должной смазки в воде, тем более, в соленой морской воде. Поэтому в новой конструкции насоса использованы подшипники скольжения, в которых также применена пара трения «полиарилэфиркетон VICTREX РЕЕК - азотированный титан».
Главным преимуществом выбора материала полиарилэфиркетона VICTREX РЕЕК для работы с морской водой является следующая высокоэффективная совокупность свойств этого материала:
- хорошие антифрикционные свойства;
- высокая механическая прочность;
- способность работать в паре трения с титаном в условиях недостаточной или даже отсутствующей смазки.
Еще одним преимуществом предлагаемой конструкции плунжера с клапаном является меньшая масса плунжера по сравнению с прототипом. Уменьшение массы достигается выполнением плунжера пустотелым. При этом, чтобы сохранить подвод давления к опоре башмака и обеспечить подвод жидкости к отверстиям на всасывании, седло плунжера под всасывающий клапан выполнено в виде ввернутого в плунжер полого стержня. Уменьшение массы плунжера снижает действующие на него силы инерции и, следовательно, общую нагрузку на плунжер и сопрягаемые с ним элементы. Данное обстоятельство приведет к улучшению усталостной прочности плунжера и сопрягаемых с ним деталей насоса.
Кроме того, в новом насосе в отличие от прототипа уменьшены утечки рабочей жидкости по плунжерам со всасывающими клапанами, т.е. в зазоре между плунжерами и цилиндрами, в которых они находятся, и, следовательно, увеличен КПД насоса, Для этого в предлагаемой конструкции расточка в плунжере для подвода жидкости к всасывающему клапану отсутствует и уплотнение осуществляется по всей длине плунжера.
Перечень чертежей
Фиг. 1 - чертеж аксиально-плунжерного насоса с плунжерами с предлагаемыми всасывающими клапанами;
Фиг. 2 - отдельно плунжер с всасывающим клапаном;
Фиг. 3 - отдельно всасывающий клапан.
Осуществление изобретения
На фиг. 1, 2, 3 среди всех позиций элементов насоса для пояснения предлагаемого изобретения достаточно описать следующие позиции: 3 - вкладыш башмака; 4 - клапан; 5 -кольцо: 6 - кольцо стопорное: 7 - обойма башмака; 8 - плунжер; 9 - седло; 11 - кольцо уплотнительное; 12 - пружина. Стоит отметить, что детали «вкладыш башмака», «обойма башмака» и «кольцо» на работе всасывающего клапана никак не сказываются, но входят в состав плунжера, поэтому на чертеже и в описании присутствуют.
Аксиально-плунжерный насос с клапанным распределением состоит из корпуса, блока цилиндров, плунжеров, вала с кулачком, установленного в подшипнике скольжения, всасывающих и нагнетательных клапанов. При вращении вала наклонная плоскость кулачка взаимодействует с опорами плунжеров, при этом плунжеры совершают возвратно-поступательное движение в блоке цилиндров. При обратном ходе плунжера в нем открывается всасывающий клапан и жидкость через него поступает из корпуса насоса в цилиндр. При прямом ходе плунжера жидкость через нагнетательный клапан вытесняется из цилиндра в коллектор крышки и далее в полость нагнетания.
Обычно в насосах с клапанным распределением клапан располагается на неподвижных деталях насоса. При этом клапан открывается и закрывается за счет действующих на него сил давления жидкости и силы пружины. В предлагаемой конструкции всасывающий клапан расположен на торце подвижной детали - на плунжере. Кольцевой запорный элемент клапана (поз. 4) прижимается пружиной (поз. 12) к седлу (поз. 9). Седло вворачивается в плунжер (поз. 8).
При обратном ходе (влево) плунжера кольцевой запорный элемент клапана отходит от седла, жидкость через отверстия (8.1) в задней части плунжера и отверстия (9.1) в седле поступает в рабочую камеру насоса. При прямом ходе (вправо) плунжера кольцевой запорный элемент клапана прижимается к седлу и перекрывает отверстия (9.1) в нем. Таким образом, при движении плунжера на клапан действует, кроме сил давления жидкости и силы пружины, еще и сила инерции. Причем эта сила помогает открывать клапан при обратном ходе плунжера и закрывать при прямом ходе плунжера. В связи с этим можно уменьшить жесткость прижимающей кольцевой запорный элемент клапана пружины. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению перепада давлений, необходимого для открытия клапана и, следственно, уменьшению минимально необходимого давления на входе в насос. Это преимущество существенно при работе насоса на небольших глубинах погружения в воду, так как для обеспечения бескавитационной работы насоса на небольшой глубине погружения обычно требуемое давление на входе насоса обеспечивают специальным дополнительным насосом. Если же предложенная конструкция позволяет снизить величину минимально необходимого давления на входе насоса, то необходимость в дополнительном насосе отпадает.
В конструкции насоса с клапанной системой распределения отсутствует узел трения блок цилиндров - торцевой распределитель (обязательный элемент конструкции насосов с золотниковой системой распределения), который трудно сделать в условиях плохой смазывающей способности из-за низкой вязкости воды, в том числе морской. Еще одно преимущество клапанной системы распределения - герметичность. Это особенно существенно ввиду малой вязкости любой воды в принципе, так как чем меньше вязкость жидкости, тем больше утечки и соответственно меньше кпд насоса.
Ввиду малой смазывающей способности морской воды также встает необходимость обеспечивать специфические пары трения. В данной конструкции в парах трения сочетаются полимер полиарилэфиркетон VICTREX РЕЕК и титан с азотированной поверхностью. Из полимерного материала полиарилэфиркетон VICTREX PEEK WG102 выполнены упомянутые всасывающий и нагнетательный клапаны. Масса таких клапанов существенно меньше металлических, что обеспечивает меньшее запаздывание посадки клапана на седло. Из полимерного материала полиарилэфиркетона VICTREX PEEK WG102 сделаны всасывающий клапан (поз. 4), вкладыш башмака (поз. 3) и кольцо (поз. 5) (примечание: кольцо уплотнительное (поз. 11) - резиновое). Остальные детали всасывающего клапана выполнены из титана (или титанового сплава), который не подвержен электролитической коррозии в соленой морской воде.
Всасывающий клапан аксиально-плунжерного гидронасоса, расположенный в торце плунжера и состоящий из кольцевого запорного элемента, седла в торце плунжера и пружины, прижимающей кольцевой запорный элемент клапана к седлу, при этом всасывающий клапан выполнен с возможностью открывания отверстий в седле клапана для прохода жидкости в плунжер при ходе плунжера на всасывание и закрывания их при ходе плунжера на нагнетание, отличающийся тем, что кольцевой запорный элемент указанного клапана выполнен из стойкого против морской воды полимера - полиарилэфиркетона VICTREX РЕЕК, а седло клапана сделано из антикоррозионного титанового сплава, при этом из антифрикционной связки пар трения “материал полиарилэфиркетон VICTREX РЕЕК - азотированный титан” также выполнены опоры плунжеров со всасывающими клапанами, блок цилиндров для плунжеров и подшипники скольжения насоса, кроме того, сам плунжер выполнен пустотелым, а седло всасывающего клапана выполнено в виде ввернутого в плунжер полого стержня.
