Заглибний насос для скраплених газів

Реферат: Заглибний насос для скраплених газів, що містить редуктор, на вихідному валу якого встановлений кривошип, пов'язаний шатуном з крейцкопфом, сполученим з поршнем, обладнаним кільцевими ущільнювачами і встановленим з можливістю зворотно-поступального руху в циліндрі зі всмоктувальним і нагнітальним клапанами, робоча порожнина якого через всмоктувальний клапан сполучена подовжувачем з відбірним фільтром, причому подовжувач забезпечений теплоізоляцією. UA 103323 U (12) UA 103323 U UA 103323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропоноване нове технічне рішення належить до області кріогенної техніки, конкретно, до технічних засобів для перекачування скраплених, продуктів розділення повітря або інших скраплених газів. До заглибних належать насоси, циліндрова група яких знаходиться безпосередньо в резервуарі для зберігання рідини, такі насоси не вимагають часу на охолодження циліндра перед пуском їх в роботу. Ці насоси використовуються в основному у складі транспортних установок газифікації, експлуатаційні властивості яких при цьому значно покращуються [9, стор. 322-323]. Заглибний насос складається з механізму руху, що розміщується над резервуаром, та циліндрової групи усередині резервуару [9, стор. 322]. Відомий заглибний насос 12НСГ-300/400, розроблений в 1970 році для укомплектовування пересувної установки газифікації АГУ-2М [7, стор. 41]. Недоліками цього насоса є значна вага і складність у виробництві через наявність двоступінчатого редуктора для зниження оборотів і стандартного для того часу робочого органу плунжерного типу з щілинним ущільненням, що вимагає ручного доведення при складанні [9, стор. 325]. Освоєння нових матеріалів з низьким тертям, придатних для використання при кріогенних температурах, дозволило відмовитися від плунжерної пари з ущільненням "метал по металу" і перейти до використання поршневих пар з комплектом кілець ущільнювачів з полімеру, що містить фтор. Відомий заглибний насос 12НСГ-80/40, що містить понижуючий двоступінчатий редуктор, вихідний ступінь якого обладнаний кривошипом, сполучений за допомогою шатуна з крейцкопфом. Крейцкопф сполучений штоком з поршнем, обладнаним кільцевими ущільнювачами і встановленим в робочій втулці циліндра з можливістю переміщення. Циліндр обладнаний нагнітальним і всмоктувальним клапанами, при цьому робоча порожнина циліндра з'єднана через всмоктувальний клапан з відбірним фільтром за допомогою подовжувача. Наявність штока, виконаного у вигляді тонкого стержня, робоча довжина якого складає не більше 500 мм (для забезпечення стійкості при роботі на стискування), дозволяє опустити циліндрову групу в холодну зону цистерни, а для відбору рідини з нижньої точки цистерни служить подовжувач, встановлений між всмоктувальним клапаном і відбірним фільтром, розташованим поблизу дна цистерни. Цей насос найбільш близький по технічній суті до пристрою, що заявляється, і вибраний як прототип. Недоліком прототипу є високі виробничі витрати при його виготовленні, викликані підвищеною металоємністю (суха вага насоса складає 490 кг), а також складністю у виробництві, обумовленою наявністю двоступінчатого редуктора і необхідністю прецизійної обробки штока і деталей поршневої пари. В основу пропонованого технічного рішення поставлено задачу зменшення виробничих витрат шляхом зниження трудомісткості виробництва насоса та його металоємності за рахунок зменшення числа східців редуктора, а також за рахунок зменшення кількості або розмірів деталей, що вимагають особливо точної обробки, без зниження робочих характеристик насоса. Вказана задача вирішується тим, що в заглибному насосі, що містить редуктор, на вихідному валу якого встановлений кривошип, пов'язаний шатуном з крейцкопфом, сполученим з поршнем, обладнаним кільцевими ущільнювачами і встановленим з можливістю зворотнопоступального руху в циліндрі зі всмоктувальним і нагнітальним клапанами, робоча порожнина якого через всмоктувальний клапан сполучена подовжувачем з відбірним фільтром, подовжувач виконаний зі збільшеною довжиною відносно прототипу і забезпечений ефективною теплоізоляцією. Відомим шляхом зменшення ваги і габаритів трансмісійних вузлів є передача потужності при великих обертах, оскільки при збільшенні числа оборотів для передачі тієї ж потужності потрібно пропорційно менший момент, що крутить. [3]. Збільшення оборотів кривошипа і, отже, підвищення числа подвійних ходів поршня в одиницю часу дозволяє пропорційно зменшити довжину ходу поршня (тобто і довжину плеча кривошипа), оскільки об'ємне подання поршневого насоса дорівнює добутку площі перерізу поршня на довжину його ходу і число його подвійних ходів [4]. Отже, підвищення швидкохідності насоса дозволяє спростити і полегшити редуктор насоса, змінивши число його східців з двох до одного, а також призводить до зменшення ваги кривошипно-шатунового механізму і довжини робочої втулки поршневої пари, що значно спрощує обробку її прецизійних поверхонь. Проте, збільшення числа подвійних ходів і пов'язане з цим зростання динамічних навантажень негативно позначається на штоку, що сполучає поршень з механізмом руху і 1 UA 103323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконаний у вигляді довгого стержня малого перерізу. Розрахунок стержнів, працюючих на стискування, виконується на стійкість, при цьому відомо, що при постійному перерізі стержня величина допустимого навантаження при стискуванні обернено пропорційна до квадрата довжини стержня [8]. Навіть у разі тихохідного насоса шток є проблемною ланкою, до якої пред'являються суперечливі вимоги, що полягають в тому, що він повинен зберігати стійкість при стискуванні і, одночасно, повинен мати мінімальну масу для зниження динамічних навантажень при зміні напряму руху. Конструктивне протиріччя полягає в тому, що перша умова (стійкість) досягається збільшенням площі перерізу штока, а друге (мінімальна маса) - зменшенням площі його перерізу. У прототипі переріз штока вибирається з умов стійкості, при цьому збільшення маси зворотно-поступальної групи деталей додатково навантажує трансмісійні вузли насоса, що призводить до необхідності збільшувати їх вагу для забезпечення надійності. Вказані протиріччя не дозволяють збільшити швидкохідність насоса через додаткове зростання динамічних навантажень на довгому штоку. Вирішенням такої проблеми є відмова від штока, але в цьому випадку глибина занурення поршневої пари зменшується на висоту, рівну довжині штока, і подовжувач частково опиняється в теплій паровій зоні, що утворюється над рідиною при підйомі тиску в цистерні [9, стор. 322], внаслідок чого рідина у всмоктувальному тракті випаровуватиметься, порушуючи роботу насоса. Пропоноване технічне рішення дозволяє відмовитися від штока і безпосередньо з'єднати поршень з крейцкопфом завдяки тому, що відповідно до пропонованого технічного рішення теплові припливи до рідини, що поступає на всмоктування через подовжувач, істотно обмежуються ефективною теплоізоляцією і не викликають скипання рідини при всмоктуванні. На прикладеному кресленні зображена спрощена схема заглибного насоса з теплоізольованим подовжувачем, який змонтований в цистерні зі скрапленим газом. Приклад конкретного втілення заглибного насоса для скраплених газів містить наступні позиції: 1 - внутрішня посудина цистерни; 2 - зовнішня посудина цистерни; 3 - опора; 4 теплоізоляція внутрішньої посудини; 5 - горловина; б - шестірня; 7 - зубчасте колесо; 8 кривошип; 9 - корпус; 10 - шатун; 11 - крейцкопф; 12 - втулка напрямна; 13 - поршень; 14 ущільнювач кільцевий; 15 - втулка робоча; 16 - корпус циліндра; 17 - клапан нагнітальний; 18 трубопровід нагнітальний; 19 - фільтр відбірний; 20 - клапан всмоктувальний; 21 - подовжувач; 22 - теплоізоляція подовжувача; 23 - вентиль; 24 - теплообмінник; 25 - трубопровід паровий. Заглибний насос для скраплених газів, що заявляється, влаштований і працює таким чином. Скраплений газ знаходиться у внутрішній посудині 1, розміщеній в зовнішній посудині 2, простір між посудинами 1 і 2, який забезпечений опорами 3, заповнено ефективною теплоізоляцією 4. Горловина 5 служить для установки заглибного насоса, що складається з механізму руху, який розташовується над цистерною, і циліндрової групи, яка розміщується у внутрішній посудині 1. Механізм руху включає провідну шестірню 6, жорстко насаджену на вал двигуна (не показаний), зубчасте колесо 7, що знаходиться з нею в зачепленні, і кривошип 8, які зібрані в загальному корпусі 9. Обертання кривошипа 8 за допомогою шатуна 10 перетворюється в зворотно-поступальний рух крейцкопфа 11, встановленого в направляючій втулці 12. Циліндрова група містить поршневу пару, що включає поршень 13 з кільцевими ущільнювачами 14, розміщений в робочій втулці 15 і безпосередньо сполучений з крейцкопфом 11. Порожнина робочої втулки 15, встановленої в корпусі циліндра 16, через нагнітальний клапан 17 сполучена з нагнітальним трубопроводом 18, через який рідина під тиском надходить до споживача. Для очищення всмоктуваної рідини служить відбірний фільтр 19, сполучений з порожниною робочої втулки 15 через клапан всмоктування 20 за допомогою подовжувача 21, який забезпечує розташування відбірного фільтра 19 на заданій глибині. Ізоляція 22 служить для обмеження теплових припливів до рідини, що протікає через подовжувач 21. Для підйому тиску у внутрішній посудині служить контур, що включає вентиль 23, теплообмінник 24 і трубопровід 25. Для нормальної роботи насоса необхідно, щоб рідина в цистерні була спочатку переохолоджена на 5°-8°, таке переохолодження рідини перед запуском насоса досягається підйомом тиску на 0,1 - 0,2 МПа [9, стор. 317 і 322]. Для підйому тиску в посудині 1 відкривають вентиль 23, при цьому рідина з посудини 1 надходить в теплообмінник 24, де випаровується за рахунок тепла навколишнього повітря. Пара, що утворилася, по трубопроводу 25 надходить у верхню частину внутрішньої посудини 1, піднімаючи в ній тиск. Після досягнення заданого тиску вентиль 23 закривають і роблять пуск насоса включенням електродвигуна (не показаний), який встановлений на корпусі 9. 2 UA 103323 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При роботі насоса шестірня 6 на валу електродвигуна приводить в обертання зубчасте колесо 7 з кривошипом 8, обертання якого за допомогою шатуна 10 перетворюється в зворотнопоступальний рух крейцкопфа 11. Крейцкопф 11 встановлений в направляючій втулці 12 і безпосередньо сполучений з поршнем 13, що переміщається в робочій втулці 15, розташованій в корпусі циліндра 16. При русі вниз поршень 13 витісняє рідину з порожнини робочої втулки 15, при цьому рідина через нагнітальний клапан 17, встановлений в корпусі циліндра 16, поступає в нагнітальний трубопровід 18 і далі до споживача. Перетікання в поршневій парі обмежують кільцеві ущільнення 14 низького тертя, встановлені на поршні 13. При русі поршня 13 вгору відбувається всмоктування рідини, яка при цьому поступає в порожнину робочої втулки 15 через відбірний фільтр 19, подовжувач 21 і всмоктувальний клапан 20 в корпусі циліндра 16. У насосі, який заявляється, на відміну від прототипу відсутній шток між поршнем і крейцкопфом і поршень 13 безпосередньо сполучений з крейцкопфом 11, що входить до складу механізму руху. В результаті цього поршнева пара у складі циліндра 16 розміщується у верхній частині посудини 1, а відбір рідини з нижньої точки посудини забезпечується збільшенням висоти подовжувача 21. Відповідно збільшується висота стовпа рідини у всмоктувальному тракті (реально - приблизно на 0,5 м, що відповідає довжині виключеного з конструкції штока), проте, таке збільшення висоти гідростатичного стовпа не має істотного значення, оскільки ця величина дуже мала в порівнянні з сумою гідродинамічних втрат в тракті всмоктування, що включає елементи із складною гідравлічною конфігурацією (фільтр і клапан). Навіть збільшення висоти гідростатичного стовпа до одного метра знижує переохолодження рідини перед всмоктувальним клапаном менш ніж на 0,1 град [1, 2], тобто на величину в декілька десятків разів меншу, ніж величина рекомендованого переохолодження. Іншим, істотним наслідком високого розташування поршневої пари є те, що при не повністю заповненій посудині 1 подовжувач 21 повністю або частково розташовується над дзеркалом переохолодженої рідини і знаходиться в зоні перегрітої пари, через що рідина в тракті всмоктування скипатиме, порушуючи роботу насоса. Відповідно до технічного рішення, яке заявлене, обмеження теплових припливів до потоку рідини в каналі подовжувача 21 забезпечується високоефективною теплоізоляцією 22, наявність якої запобігає скипанню рідини в подовжувачі 21 і забезпечує нормальну роботу насоса при будь-якій мірі заповнення внутрішньої посудини 1. Теплоізоляція для низьких температур широко застосовується в техніці глибокого охолодження. До найбільш ефективних її видів, що отримали широке поширення, належить вакуумно-порошкова і вакуумно-багатошарова ізоляції, які поєднують низькі кондуктивну і променисту складові [9, стор. 401-423]. На жаль, вакуумування ізоляції вимагає відповідного устаткування і займає багато часу через сильне газовиділення ізоляційних матеріалів і значний опір, що вони створюють потоку відкачуваного газу [9, стор. 420-421], а отже, не може вважатися простим технологічним процесом, що суперечить меті технічного рішення, яке заявляється. Простим і недорогим відомим способом створення високоефективної низькотемпературної ізоляції є заповнення теплоізолюючого об'єму вуглекислим газом з подальшою герметизацією цього об'єму в теплому стані під надмірним тиском 0,15 МПа [10]. Цей спосіб рекомендується для створення теплоізоляції подовжувача по технічному рішенню, яке заявляється. При заправці цистерни з погружним насосом кріогенною рідиною усе устаткування у внутрішній посудині охолоджується до кріогенних температур, при цьому вуглекислий газ у теплоізолюючій порожнині 22 подовжувача 21 також охолоджується до кріогенного рівня і, в результаті процесу десублімації, осідає у вигляді кристалів інею на стінках порожнини 22, екрануючи променисту складову, що у поєднанні з вакуумом, який утворюється в порожнині, створює ефективну ізоляцію. Пропоноване технічне рішення, що полягає у збільшенні висоти подовжувача і оснащенні його теплоізоляцією, може бути також використане для модернізації існуючих заглибних тихохідних насосів з метою застосування їх для відкачування кріогенних рідин з резервуарів, глибина яких перевершує допустиме значення для цієї моделі насоса. Потреба в такій модернізації може бути обґрунтована тим, що циліндрова група заглибних насосів, побудована з використанням штока для передачі руху від крейцкопфа до поршня, стає неконструктивною і втрачає експлуатаційну надійність при установці на цистерни вже з глибиною більше 1 метра через необхідності ще більшого збільшення довжини штока [9, стор. 323]. Джерела інформації: 3 UA 103323 U 5 10 15 20 1. Акулов, Л.А. Теплофизические свойства криопродуктов. Справочник / Л.А. Акулов, Е.И. Борзенко, В.Н. Новотельное. - СПб.: СПб ГУН и ПТ, 2009. - 567 с. 2. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1972. - 721 с. 3. Кухлинг, X. Справочник по физике / X. Кухлинг. - 2-е изд. - М.: Мир, 1985. - 520 с. 4. Леонов, А.Е. Насосы гидравлических систем станков и машин / А.Е. Леонов. - М. - К.: Машгиз, I960. - 226 с. 5. Насос 12НСГ 80/40А. Руководство по эксплуатации / под рук. Ю.А. Павленко. Одесса, 1981. - 92 л. 6. Научно-производственное объединение "Кислородмаш", завод "Автогенмаш". Оборудование, запасные части и арматура. Каталог. - К.: Реклама, Одесса: Полиграфкнига, 1981. - 16 с. 7. Одесский завод "Автогенмаш" / под ред. Л.П. Иванова. Одесса: Маяк, 1970. - 72 с. 8. Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.П. Матвеев. - К.: Наукова думка, 1975. - 704 с. 9. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Технология и оборудование. Том 2. Промышленные установки, машинное и вспомогательное оборудование / под ред. В.И. Епифановой и Л.С. Аксельрода. - 2-е изд., пераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1973. - 568 с. 10. Ракетно-космический комплекс / под общ. ред. А.П. Вольского. - М.: Воениздат, 1977. 309 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Заглибний насос для скраплених газів, що містить редуктор, на вихідному валу якого встановлений кривошип, пов'язаний шатуном з крейцкопфом, сполученим з поршнем, обладнаним кільцевими ущільнювачами і встановленим з можливістю зворотно-поступального руху в циліндрі зі всмоктувальним і нагнітальним клапанами, робоча порожнина якого через всмоктувальний клапан сполучена подовжувачем з відбірним фільтром, який відрізняється тим, що подовжувач забезпечений теплоізоляцією. 4 UA 103323 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5