RU2168064C2

RU2168064C2 - Multiplunger pump

Info

Publication number: RU2168064C2
Application number: RU99118334/06A
Authority: RU
Inventors: В.К. Кантовский; И.Н. Смирнов
Original assignee: Смирнов Игорь Николаевич
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; pump building. SUBSTANCE: invention is designed for multiplunger pumps with slider-crank offset drive mechanism with arrangement of slider axes in alternating sequence at both sides of plane passing through crankshaft axis. Members of slider-crank drive mechanism for adjacent cylinders are made with different geometric parameters. Angle between cranks, radius of crank and length of connecting rod and value of offset and shape of slider can be variable separately or in any combination. Slider can be made in form of prismatic elements arranged in common cylindrical axle box. EFFECT: reduced irregularity of working medium delivery and pressure surges at pump inlet and outlet and irregularity of drive torque. 7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, а именно к многоплунжерным насосам, имеющим кривошипно-ползунный дезаксиальный механизм привода. The invention relates to a pump engineering industry, and in particular to multi-plunger pumps having a crank-slider disaxial drive mechanism.

Известен многоплунжерный насос с кривошипно-ползунным механизмом привода плунжеров (Верзилин О.И. Современные буровые насосы. М., 1971, С.215, рис. 81). Known multi-plunger pump with a crank-slide mechanism for driving plungers (Verzilin OI Modern mud pumps. M., 1971, S. 215, Fig. 81).

Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является многоплунжерный насос, включающий кривошипно-шатунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и ползуны, соединенные с плунжерами с расположением осей ползунов в различных плоскостях в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала (см. напр., а.с. N 1707220, кл. F 04 В 1/00, 1989 г. ). Closest to the invention, the technical solution (prototype) is a multi-plunger pump, including a crank-connecting rod deaxial plunger drive mechanism having a crankshaft, connecting rods and sliders connected to the plungers with the axes of the sliders in different planes in an alternating sequence on both sides of the plane passing through the axis of the crankshaft (see, e.g., AS N 1707220, class F 04 B 1/00, 1989).

Существенными недостатками известного решения являются неравномерность подачи рабочей среды и пульсации давления на выходе и на входе насоса, а также неравномерность приводного момента на протяжении одного оборота коленчатого вала. Significant disadvantages of the known solutions are the uneven supply of the working medium and pressure pulsation at the outlet and inlet of the pump, as well as the unevenness of the drive torque over one revolution of the crankshaft.

Уменьшение воздействия этих недостатков обычно достигается увеличением числа цилиндров и использованием дополнительных приспособлений, в частности противовесов и маховиков, и гасителей пульсаций, например демпферов или воздушных колпаков, что приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости насоса. Reducing the effects of these shortcomings is usually achieved by increasing the number of cylinders and the use of additional devices, in particular counterweights and flywheels, and pulsation dampers, for example dampers or air hoods, which leads to an increase in the size, weight and cost of the pump.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является устранение отмеченных недостатков работы насоса, снижение его габаритов и массы. The technical problem posed in the present invention is to eliminate the noted drawbacks of the pump, reducing its size and weight.

Сущность изобретения заключается в том, что многоплунжерный насос, включающий кривошипно-ползунный дезаксиальный механизм привода плунжеров, имеющий коленчатый вал, шатуны и соединенные с плунжерами ползуны, оси которых расположены в чередующейся последовательности по обе стороны от плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, выполнен с элементами кривошипно-ползунного механизма для соседних цилиндров с разными геометрическими параметрами. The essence of the invention lies in the fact that a multi-plunger pump including a crank-slide disaxial drive mechanism of the plungers having a crankshaft, connecting rods and sliders connected to the plungers, whose axes are arranged in alternating sequence on both sides of the plane passing through the crankshaft axis, is made with elements of a crank-slide mechanism for adjacent cylinders with different geometric parameters.

При этом могут быть изменены геометрические параметры следующих элементов. In this case, the geometric parameters of the following elements can be changed.

Угол между кривошипами может быть переменным и изменяться при переходе от одной пары смежных цилиндров к последующей. The angle between the cranks can be variable and change during the transition from one pair of adjacent cylinders to the next.

Радиус кривошипа может иметь переменную величину, а шатуны могут иметь переменную длину, которые могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному. The radius of the crank can have a variable value, and the connecting rods can have a variable length, which can change during the transition from one cylinder to an adjacent one.

Диаметры плунжеров могут быть выполнены переменными, они могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному. The diameters of the plungers can be made variable, they can change during the transition from one cylinder to an adjacent one.

Может быть переменной величина дезаксиала, она может изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному. The magnitude of the deaxial may be variable, it may change during the transition from one cylinder to an adjacent one.

Кроме того, ползуны могут быть выполнены в виде призматических элементов, снабженных общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой, при перемещении внутри которой они взаимодействуют между собой и с ее внутренней поверхностью. In addition, the sliders can be made in the form of prismatic elements equipped with a common cylindrical guide axle box, when moving inside which they interact with each other and with its inner surface.

По сравнению с прототипом (а.с. N 1707220) изобретение содержит отличительные признаки, заключающиеся в том, что элементы кривошипно-ползунного механизма выполнены с переменными геометрическими параметрами. Compared with the prototype (AS No. 1707220), the invention contains distinctive features, namely that the elements of the crank-slide mechanism are made with variable geometric parameters.

Диаметры плунжеров и величина дезаксиала могут быть выполнены переменными, они могут изменяться при переходе от одного цилиндра к смежному. The diameters of the plungers and the magnitude of the deaxial can be made variable, they can change during the transition from one cylinder to an adjacent one.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - многоплунжерный насос, продольный разрез;
- на фиг.2 - то же, план;
- на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2;
- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.2, вариант с призматическими ползунами.The invention is illustrated by drawings, which depict:
- figure 1 - multi-plunger pump, a longitudinal section;
- figure 2 is the same plan;
- figure 3 is a section aa in figure 2;
- figure 4 is a section aa in figure 2, a variant with prismatic sliders.

Для наглядности чертежа многоплунжерный насос изображен в трехплунжерном варианте. For clarity, the multi-plunger pump is depicted in a three-plunger version.

Многоплунжерный насос включает корпус 1, с размещенным в нем кривошипно-ползунным дезаксиальным механизмом, имеющий коленчатый вал 2 с кривошипами 3, шатуны 4 и расположенные в разных плоскостях ползуны 5, передвигающиеся в направляющих 6 или непосредственно в корпусе 1 и соединенные с плунжерами 7, образующими рабочие камеры 8 в блоке цилиндров 9, имеющем всасывающий 10 и нагнетательный 11 клапаны для каждой рабочей камеры и всасывающий 12 и нагнетательный 13 коллекторы, общие для всех цилиндров. The multi-plunger pump includes a housing 1, with a crank-slider disaxial mechanism located therein, having a crankshaft 2 with cranks 3, connecting rods 4 and sliders 5 located on different planes, moving in guides 6 or directly in the housing 1 and connected to the plungers 7 forming working chambers 8 in a cylinder block 9 having a suction 10 and a discharge 11 valves for each working chamber and a suction 12 and a pressure 13 collectors common to all cylinders.

Вместо плунжера возможно использование других вытеснителей, например поршней, диафрагм и т.п. Instead of the plunger, it is possible to use other displacers, for example pistons, diaphragms, etc.

Вращение коленчатого вала 2 может быть обеспечено каким-либо двигателем непосредственно или через встроенную или отдельную передачу (на чертеже не показано). The rotation of the crankshaft 2 can be provided by any engine directly or through an integrated or separate gear (not shown in the drawing).

На чертеже обозначены также дезаксиальное смещение e₁ и e₂ по обе стороны горизонтальной плоскости 14; угол -α между смежными кривошипами коленчатого вала 2; диаметр d плунжеров 7 (или других вытеснителей), а также l - длина шатунов 4 и r - радиус кривошипов 15.The drawing also shows the deaxial displacement e ₁ and e ₂ on both sides of the horizontal plane 14; the angle α between adjacent cranks of the crankshaft 2; the diameter d of the plungers 7 (or other displacers), as well as l is the length of the connecting rods 4 and r is the radius of the cranks 15.

Угол -α между кривошипами 15 (фиг. 1) может быть переменным и изменяться при переходе к следующей паре смежных цилиндров, оставаясь в пределах

радиана,
где i - число цилиндров в насосе. Величина угла зависит от конкретных значений геометрических параметров - радиуса кривошипа, длины шатуна и величины дезаксиала.The angle α between the cranks 15 (Fig. 1) can be variable and change when moving to the next pair of adjacent cylinders, remaining within

radian
where i is the number of cylinders in the pump. The magnitude of the angle depends on the specific values of the geometric parameters - the radius of the crank, the length of the connecting rod and the size of the deaxial.

Переменными могут быть выполнены радиус r кривошипа 3 и длина l шатуна 4 при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, причем изменение отношения

должно находиться в пределах ± 25% (фиг. 1 и 2).The variables can be made radius r of the crank 3 and the length l of the connecting rod 4 when moving from one adjacent cylinder to the next, and the change in the ratio

should be within ± 25% (Fig. 1 and 2).

Такое изменение может быть обеспечено как изменением величины r - радиуса кривошипа 3, так и изменением величины l - длины шатуна 4, или изменением обеих величин на одном из смежных цилиндров, или изменением величины r на одном из смежных цилиндров и изменением величины l на другом смежном цилиндре. Such a change can be achieved both by changing the value of r - the radius of the crank 3, and by changing the value of l - the length of the connecting rod 4, or by changing both values on one of the adjacent cylinders, or by changing the value of r on one of the adjacent cylinders and changing the value of l on the other adjacent top hat.

Могут быть выполнены переменными и диаметры d плунжеров 7 при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, в пределах колебаний их отношения ± 20% (фиг.2). The diameters d of the plungers 7 can also be made variable with the transition from one adjacent cylinder to the next, within the range of their ratio fluctuations of ± 20% (Fig. 2).

Величина дезаксиала e также может быть переменной, при переходе от одного смежного цилиндра к следующему, при этом отношение этой величины к длине шатуна l на смежных цилиндрах находится в пределах ± 20% (фиг. 1 и 2). The value of deaxial e can also be variable, when moving from one adjacent cylinder to the next, while the ratio of this value to the length of the connecting rod l on adjacent cylinders is within ± 20% (Figs. 1 and 2).

Кроме изменения геометрических параметров, может быть изменена и форма ползунов (фиг.4). In addition to changing geometric parameters, the shape of the sliders can be changed (figure 4).

Ползуны могут быть выполнены в виде призматических элементов 15 и снабжены общей, имеющей цилиндрическую форму направляющей буксой 16, внутри которой они имеют возможность перемещаться, взаимодействуя между собой и с внутренней поверхностью буксы 16. The sliders can be made in the form of prismatic elements 15 and equipped with a common, cylindrical-shaped guide axle box 16, inside which they have the ability to move, interacting with each other and with the inner surface of the axle box 16.

В этом варианте в основании призматических элементов 15 лежит круговой сектор с центральным углом, равным

где i - число цилиндров в насосе, и с радиусом R, равным внутреннему радиусу цилиндрической буксы 16. Возможно также перемещение призматических ползунов 15 непосредственно в расточке корпуса 1.In this embodiment, at the base of the prismatic elements 15 lies a circular sector with a central angle equal to

where i is the number of cylinders in the pump, and with a radius R equal to the inner radius of the cylindrical axle box 16. It is also possible to move the prismatic sliders 15 directly in the bore of the housing 1.

Указанные пределы изменения геометрических параметров приняты на основе предварительных исследований и расчетов. The indicated limits for changing geometric parameters are accepted on the basis of preliminary studies and calculations.

Изменение указанных геометрических параметров и формы могут выполняться как отдельно для каждого элемента, так и в любом их сочетании. Changing these geometric parameters and shapes can be performed separately for each element, or in any combination thereof.

Конкретные значения изменяемых величин определяются заданными параметрами насоса и принятыми параметрами механизма. The specific values of the variable values are determined by the given pump parameters and the adopted mechanism parameters.

Необходимо отметить также, что указанные геометрические параметры являются переменными именно в статике (в изготовленном насосе) и назначаются при разработке его конструкции. It should also be noted that these geometric parameters are variables precisely in statics (in the manufactured pump) and are assigned during the development of its design.

Многоплунжерный насос работает следующим образом. Multi-plunger pump operates as follows.

Посредством шатунов 4 и ползунов 5 вращение коленчатого вала 2 преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжеров 7 в рабочих камерах 8 блока цилиндров 9. By means of connecting rods 4 and sliders 5, the rotation of the crankshaft 2 is converted into reciprocating motion of the plungers 7 in the working chambers 8 of the cylinder block 9.

При движении плунжеров 7 (или других вытеснителей) от передней мертвой точки влево объем рабочей камеры 8 увеличивается, а давление в ней уменьшается до величины, меньшей давления во всасывающем коллекторе 12. После чего открывается всасывающий клапан 10, а нагнетательный клапан 11 закрывается высоким давлением жидкости в нагнетательном коллекторе 13. Далее рабочая камера 8 заполняется жидкостью. Эта стадия рабочего процесса продолжается до достижения плунжером 7 задней мертвой точки и начала его движения в противоположном направлении. When the plungers 7 (or other displacers) move from the front dead center to the left, the volume of the working chamber 8 increases, and the pressure in it decreases to a value less than the pressure in the suction manifold 12. Then the suction valve 10 opens, and the discharge valve 11 closes with a high liquid pressure in the discharge manifold 13. Next, the working chamber 8 is filled with liquid. This stage of the working process continues until the plunger 7 reaches the rear dead center and the beginning of its movement in the opposite direction.

Постепенно объем рабочей камеры 8 уменьшается, всасывающий клапан 10 закрывается, давление в цилиндре увеличивается, а нагнетательный клапан 11 открывается и жидкость поступает в нагнетательный коллектор 13. Gradually, the volume of the working chamber 8 decreases, the suction valve 10 closes, the pressure in the cylinder increases, and the discharge valve 11 opens and the fluid enters the discharge manifold 13.

При исполнении ползунов в виде призматических элементов 15 нормальные составляющие сил давления жидкости воспринимаются не индивидуальными направляющими 6, а цилиндрической буксой 16, имеющей более развитую поверхность контакта и, соответственно, меньшую величину удельных нагрузок. When executing the sliders in the form of prismatic elements 15, the normal components of the liquid pressure forces are perceived not by individual guides 6, but by a cylindrical box 16 having a more developed contact surface and, accordingly, a lower specific load.

При описанной работе многоплунжерного насоса возникает необходимость в сглаживании неравномерности подачи и пульсации давления на выходе и входе насоса, а также неравномерности приводного момента на протяжении одного оборота коленчатого вала. With the described operation of a multi-plunger pump, it becomes necessary to smooth out the unevenness of the supply and pressure pulsation at the outlet and inlet of the pump, as well as the unevenness of the drive torque over one revolution of the crankshaft.

Это обеспечивается выполнением элементов кривошипно- ползунного механизма, т.е. угла между кривошипами, радиуса кривошипа, длины шатуна, диаметра плунжера и дезаксиала с переменными геометрическими параметрами, а также изменением формы ползунов, т.е. выполнением их в виде призматических элементов 15 с буксой 16 (фиг.4). This is ensured by the implementation of the elements of the crank-slide mechanism, i.e. the angle between the cranks, the radius of the crank, the length of the connecting rod, the diameter of the plunger and deaxial with variable geometric parameters, as well as a change in the shape of the sliders, i.e. performing them in the form of prismatic elements 15 with axle box 16 (figure 4).

Конкретные значения изменяемых величин определяются заданными параметрами насоса и принятыми параметрами механизма - расчетными радиусом кривошипа, длиной шатуна, дезаксиалом, диаметром вытеснителя и числом цилиндров. The specific values of the variable values are determined by the given parameters of the pump and the adopted parameters of the mechanism - the calculated radius of the crank, the length of the connecting rod, the disaxial, the diameter of the displacer and the number of cylinders.

Скорость жидкости на выходе из каждого цилиндра (и на входе в цилиндр) определяется законом движения ползуна 5, а скорость жидкости в нагнетательном 13 (всасывающем 12) коллекторе и на выходе (входе) из насоса, следовательно, и закон изменения подачи - суммой скоростей выхода жидкости из всех цилиндров (или входа жидкости в цилиндры). The fluid velocity at the outlet of each cylinder (and at the cylinder inlet) is determined by the law of movement of the slider 5, and the fluid velocity in the discharge 13 (suction 12) manifold and at the outlet (inlet) of the pump, therefore, the law of flow change is the sum of the outlet velocities fluid from all cylinders (or fluid inlet to cylinders).

Неравномерность подачи δ измеряется, как отношение разности максимальной и минимальной ее величины к средней:

Как известно, подача одного i-го цилиндра определяется уравнением:

где

Положительная величина Q_i свидетельствует о ходе нагнетания, отрицательная - о ходе всасывания.Uneven feed δ is measured as the ratio of the difference between its maximum and minimum values to the average:

As you know, the supply of one i-th cylinder is determined by the equation:

Where

A positive value of Q _i indicates the course of injection, a negative value indicates the course of absorption.

Подача насоса представляет собой сумму подач всех цилиндров по уравнению, взятую при их движении во время хода нагнетания. Pump flow is the sum of the feeds of all cylinders according to the equation taken when they move during the discharge stroke.

Таким образом

По приведенным выше уравнениям можно определить Q_макс, Q_мин, Q_ср и функциональную зависимость:
δ = F(α_i,e_i,l_i,r_i,d_i,i)
Математический анализ этой зависимости позволяет установить минимальное значение неравномерности δ в зависимости от заданных и установленных по конструктивным соображениям параметров механизма.Thus

According to the above equations, you can determine Q _max , Q _min , Q _cf and functional dependence:
δ = F (α _i , e _i , l _i , r _i , d _i , i)
A mathematical analysis of this dependence makes it possible to establish the minimum value of the nonuniformity δ, depending on the parameters of the mechanism set and established for structural reasons.

Уравнение неравномерности суммарного приводного момента (без учета механических потерь) математически подобно уравнению неравномерности подачи, поэтому оптимизация зависимости для подачи обеспечивает минимальные пульсации момента. The equation for the non-uniformity of the total drive torque (without taking into account mechanical losses) is mathematically similar to the equation for the non-uniformity of the feed, therefore, optimization of the dependence for the feed ensures minimal ripple of the moment.

Как показали предварительные исследования и расчеты, изменяя указанные параметры или форму в отдельности для каждого элемента или в любом сочетании и в указанных выше пределах, можно добиться снижения неравномерности и пульсаций, по сравнению с прототипом, в три-пять раз без увеличения габаритов и массы насоса. As preliminary studies and calculations showed, by changing the indicated parameters or shape individually for each element or in any combination and within the above limits, it is possible to reduce unevenness and ripple, compared with the prototype, by three to five times without increasing the dimensions and weight of the pump .

Claims

1. A multi-plunger pump, including a crank-disaxial drive mechanism of the plungers, having a crankshaft, connecting rods and sliders connected to the plungers, whose axes are arranged in alternating sequence on both sides of the plane passing through the crankshaft axis, characterized in that the crank elements the connecting rod mechanism for adjacent cylinders is made with different geometric parameters.

2. The plunger pump according to claim 1, characterized in that the angle between the cranks for each pair of adjacent cylinders is made of different sizes.

3. The plunger pump according to claim 1 or 2, characterized in that the radius of the crank for each of the adjacent cylinders has a different value.

4. The plunger pump according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the connecting rods of each of the adjacent cylinders are made of different lengths.

5. The multi-plunger pump according to claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that the plungers of each of the adjacent cylinders have different diameters.

6. The multi-plunger pump according to claims 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the adjacent cylinders have different deaxial values.

7. The plunger pump according to claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that the sliders are made in the form of prismatic elements and are equipped with a common cylindrical guide axle box, when moving inside which they interact with each other and with it inner surface.