EA006123B1 - Клапанное устройство для поршневых механизмов, таких как насос и компрессор - Google Patents

Abstract

Клапанное устройство (1) для поршневой машины, содержащее впускной клапан (18) и выпускной клапан (19), причем каждый клапан (18, 19) является подпружиненным клапаном одностороннего действия, выполненным с возможностью открытия для потока при создании разностью давления в направлении потока усилия, превышающего напряжение пружины, при этом клапаны (18, 19) установлены в корпусе (8), который образует крышку цилиндра поршневой машины (2) или прикреплен к указанной крышке. Впускной клапан (18) и выпускной клапан (19) смонтированы во втулке (16), выполненной с возможностью установки в проточке (9) корпуса (8) таким образом, что текучая среда способна поступать к втулке (16) из впускного канала (11) в корпусе (8) и протекать во втулку (16) через впускной клапан (18), при этом втулка (16) имеет по меньшей мере один перфорированный участок, обеспечивающий протекания текучей среды в радиальном направлении из втулки (16) или во втулку (16) через отверстия (50, 51), тем самым ее протекание к проходу (14, 15) или из указанного прохода, который образует перпендикулярный или близкий к перпендикулярному канал сообщения с проточкой (9).

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к клапанному устройству для поршневых механизмов, таких как насос и компрессор.

Предшествующий уровень техники

В обычном поршневом механизме или поршневой машине для каждого поршня предусмотрен всасывающий или впускной клапан и выпускной клапан. Обычно используются подпружиненные клапаны одностороннего действия, в которых пружина закрывает клапан, прижимая тело клапана к седлу. Клапан может быть открыт для потока либо посредством механического воздействия, либо давлением рабочей среды (в дальнейшем - текучей среды) в поршневой машине, воздействующей на тело клапана для создания усилия, направленного противоположно усилию пружины.

В случаях, когда клапаны указанного типа расположены таким образом, что направление потока через клапаны параллельно оси цилиндра поршневой машины, клапаны и связанные с ними системы трубопроводов отходят довольно далеко от крышки цилиндра машины. Поэтому желательно устанавливать клапаны таким образом, чтобы текучая среда могла протекать перпендикулярно оси цилиндра непосредственно за пределами крышки цилиндра. Если текучая среда протекает к цилиндру и от него параллельно оси цилиндра, направление потока текучей среды должно изменяться в соответствии с установкой клапанов. Такое изменение направления вызывает поперечные гидродинамические силы, которые воздействуют на тело клапана, вызывая его разориентацию. Это приводит к одностороннему или неравномерному износу тела и седла клапана и утечкам через закрытый клапан. В случае утечек клапан необходимо заменять или разбирать и заменять изношенные компоненты. Замена клапанов или изношенных компонентов может требовать больших затрат времени, в особенности в больших поршневых машинах, таких как поршневой насос для буровой жидкости, используемый при бурении нефтяных скважин.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании клапанного устройства для поршневых машин, в котором гидродинамические силы практически не вызывают разориентацию тела клапана или сводят ее до минимума. Еще одной задачей является упрощение работ, связанных с заменой клапанов.

Решение поставленной задачи достигается за счет создания клапанного устройства в соответствии с описанием и формулой изобретения.

Согласно изобретению два подпружиненных клапана одностороннего действия, известные как таковые, т. е. один впускной и один выпускной клапан, смонтированы на расстоянии друг от друга в трубчатой втулке таким образом, что осевое направление потока одинаково для обоих клапанов. Впускной клапан расположен во втулке возле ее первого конца, образующего впускной конец втулки. Выпускной клапан расположен во втулке возле ее второго, выпускного конца.

Клапаны разделяют втулку на три камеры: впускную камеру между первым концом втулки и седлом впускного клапана, рабочую камеру между седлом впускного клапана и седлом выпускного клапана и выпускную камеру между седлом выпускного клапана и вторым концом втулки.

В рабочей камере стенка втулки снабжена первым перфорированным участком со сквозными отверстиями, обеспечивающими протекание текучей среды в радиальном направлении из втулки или во втулку. В выпускной камере стенка втулки снабжена вторым перфорированным участком, обеспечивающим вытекание текучей среды в радиальном направлении из втулки.

Втулка с клапанами выполнена с возможностью установки в проточке крышки цилиндра поршневой машины или в корпусе, который прикреплен к крышке цилиндра или образует ее часть. Наружное уплотнительное кольцо на каждом конце втулки и аналогичное промежуточное уплотнительное кольцо определяют между втулкой и проточкой два кольцевых зазора, при этом диаметр проточки увеличен между поверхностями уплотнения для указанных уплотнительных колец. Таким образом, рабочий кольцевой зазор образован между уплотнительным кольцом возле первого конца втулки и промежуточным уплотнительным кольцом. Аналогичным образом выпускной кольцевой зазор образован между уплотнительным кольцом на втором конце втулки и промежуточным уплотнительным кольцом. Предпочтительно втулка имеет уменьшенный наружный диаметр между уплотнительными кольцами, поскольку это облегчает установку и демонтаж втулки. Это помогает также увеличить площадь поперечного сечения кольцевых зазоров.

Первый проход в корпусе или крышке цилиндра является впускным каналом для текучей среды и ведет к первому концу проточки, т.е. к впускному концу втулки, когда она установлена в проточке. Предпочтительно проход ориентирован по оси втулки и проточки. Второй проход в корпусе является рабочим проходом и соединяет первый кольцевой зазор, т. е. рабочий кольцевой зазор, с цилиндром поршневой машины. Обычно рабочий проход ориентирован перпендикулярно или практически перпендикулярно продольной оси проточки. Третий проход в корпусе образует выпускной канал для текучей среды из второго кольцевого зазора, т. е. выпускного кольцевого зазора. Обычно выпускной канал ориентирован перпендикулярно или практически перпендикулярно продольной оси проточки. Таким образом, рабочий проход и выпускной канал ориентированы радиально относительно проточки, при этом рабочий проход и выпускной канал могут иметь различную радиальную ориентацию.

- 1 006123

Рабочий кольцевой зазор расположен эксцентрично относительно оси проточки. Расстояние между втулкой и периферией рабочего кольцевого зазора имеет наибольшее значение на конце рабочего прохода и наименьшее значение на диаметрально противоположной стороне от рабочего прохода.

Выпускной кольцевой зазор имеет соответствующий эксцентриситет по отношению к оси проточки. Расстояние между втулкой и периферией выпускного кольцевого зазора имеет наибольшее значение в месте сообщения с выпускным каналом и наименьшее значение на диаметрально противоположной стороне от выпускного канала.

Втулку устанавливают в проточке посредством ее ввода через второй конец проточки до тех пор, пока втулка не упрется в уступ в проточке или в дно проточки возле ее первого конца. После этого второй конец проточки герметично закрывают крышкой. Крышка может быть выполнена с упором или пробкой, которая выступает в проточку и примыкает ко второму концу втулки, так что втулка удерживается в проточке в зафиксированном положении.

Текучая среда протекает в радиальном направлении между рабочей камерой втулки и рабочим кольцевым зазором снаружи. Поток текучей среды распределяется равномерно, так что не создается поперечных усилий, которые могли бы вызвать разориентацию тела впускного клапана. Аналогичным образом текучая среда выходит из выпускной камеры в выпускной кольцевой зазор в радиальном направлении с равномерным распределением.

В описанной компоновке устройства клапаны поршневой машины могут быть легко заменены путем снятия крышки, вытаскивания втулки с клапанами, установки новой втулки с клапанами и обратной установки крышки. Легко также производить проверку клапанов на установленное давление и герметичность посредством контрольно-измерительной установки, расположенной за пределами поршневой машины, так как втулка может быть установлена в проточке корпуса, в котором впускной канал и рабочий проход подсоединены к источнику давления.

В том случае, когда клапанное устройство по изобретению используется в поршневой машине, в которой поршень циклически выполняет ход впуска и следующий за ним рабочий ход, при ходе впуска текучая среда проходит через впускной канал корпуса к первому концу втулки, протекает во втулку через впускной клапан и далее в радиальном направлении из корпуса в рабочий проход и цилиндр машины. При последующем рабочем ходе текучая среда протекает из цилиндра через рабочий проход в рабочий кольцевой зазор, затем в радиальном направлении через первый перфорированный участок втулки во втулку. После этого текучая среда проходит в осевом направлении через выпускной клапан и вытекает в радиальном направлении из втулки через отверстия во втором перфорированном участке в выпускной кольцевой зазор, из которого она попадает в выпускной канал.

Перечень чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будет подробно описан пример осуществления изобретения.

Фиг. 1 изображает в разрезе часть поршневой машины с установленным клапанным устройством;

фиг. 2 изображает в разрезе втулку клапанного устройства, опорное кольцо, впускной клапан с седлом клапана и выпускной клапан с седлом клапана;

фиг. 2А изображает втулку клапанного устройства на двух видах в разрезе;

фиг. 3 изображает в разрезе корпус клапанного устройства;

фиг. 4 изображает корпус по фиг. 3 в поперечном разрезе;

фиг. 5 изображает корпус по фиг. 3 в другом поперечном разрезе;

фиг. 6 изображает в разрезе крышку корпуса.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 показано клапанное устройство 1, установленное на поршневом насосе 2 и связанное с цилиндром 3, в котором известным образом расположен поршень 4 возвратно-поступательного хода. Монтажная плита 5 образует продолжение фланца 6 цилиндра 3. Монтажная плита 5 и клапанное устройство 1 прикреплены к фланцу 6, а вместе с тем и к цилиндру 3, с помощью винтов 7.

Клапанное устройство 1 содержит корпус 8 с проточкой 9, которая открыта одним концом на конце 10 корпуса 8 и выходит другим концом в впускной канал 11 на противоположном конце корпуса 8. Крышка 13 закрывает проточку 9 на первом конце 10 корпуса 8.

Рабочий проход 14 в корпусе 8 образует продолжение цилиндра 3 для его сообщения с проточкой 9. Выпускной канал 15, ведущий от проточки 9 из корпуса 8, показан на фиг. 1 штриховыми линиями. Впускной канал 11 и выпускной канал 15 предназначены для соединения с системами трубопроводов (не показаны) для подачи и отвода текучей среды.

В проточке 9 расположена втулка 16, первый конец которой покоится на опорном кольце 17, в свою очередь покоящемся на дне проточки 9. Впускной клапан 18 установлен во втулке 16 около ее первого конца, а выпускной клапан 19 - во втулке 16 около ее второго конца. Оба клапана являются подпружиненными клапанами одностороннего действия и установлены с возможностью открытия под воздействием предварительно заданной разности давлений, действующей в направлении от первого конца втулки 16 к ее второму концу.

На фиг. 2 показаны части корпуса 8, втулка 16, опорное кольцо 17, впускной клапан 18 и выпускной

- 2 006123 клапан 19, подготовленные и выложенные для сборки.

На фиг. 3 показан корпус 8.

Втулка 16 выполнена по существу трубчатой и имеет круглое поперечное сечение. Во втулке выполнены несколько внутренних уступов для частей, образующих элементы впускного клапана 18 и выпускного клапана 19, которые сами по себе известны.

Впускной клапан 18 содержит седло 20 клапана и тело 21 клапана, смещаемое в направляющем элементе 22 клапана. Тело 21 клапана снабжено уплотнительным элементом 23. Пружина 24 клапана, действующая между телом 21 клапана и направляющим элементом 22, предназначена для прижима тела 21 клапана с уплотнительным элементом 23 к седлу 20 клапана. Седло 20 клапана выполнено таким образом, что в него известным образом входит центрирующий палец 25 на теле 21 клапана, способствующий направлению тела 21 клапана.

Аналогичным образом выпускной клапан 19 содержит седло 26 клапана и тело 27 клапана, смещаемое в направляющем элементе 28 клапана. Тело 27 клапана снабжено уплотнительным элементом 29. Пружина 30 клапана, действующая между телом 27 клапана и направляющим элементом 28, предназначена для прижима тела 27 клапана с уплотнительным элементом 29 к седлу 26 клапана. Седло 26 клапана выполнено таким образом, что в него известным образом входит центрирующий палец 31 на теле 27 клапана, способствующий направлению тела 27 клапана.

Примерно посредине между первым концом 32 и вторым концом 33 втулка 16 снабжена внутренним буртиком 34. Первая кольцевая опорная поверхность 35 буртика 34 обращена к первому концу 32 втулки 16, а его вторая кольцевая опорная поверхность 36 обращена ко второму концу 33 втулки.

Первая кольцевая опорная поверхность 35 служит в качестве опоры направляющего элемента 22 впускного клапана 18. Вторая кольцевая опорная поверхность 36 служит в качестве опоры седла 26 выпускного клапана 19, причем седло снабжено наружным фланцем 37, покоящимся на второй опорной поверхности 36.

Третья кольцевая опорная поверхность 38 во втулке 16 служит в качестве опоры седла 20 впускного клапана 18. Третья кольцевая опорная поверхность 38 обращена в том же направлении, что и первая опорная поверхность 35, и расположена между первой опорной поверхностью 35 и первым концом 32 втулки 16.

Между первым концом 32 втулки 16 и третьей опорной поверхностью 38 втулка имеет цилиндрический участок 39, предназначенный для приема седла 20 впускного клапана 18, причем боковая стенка этого участка образует поверхность уплотнения для первого уплотнительного кольца 40, помещенного в канавке на наружной периферии седла 20 клапана.

Возле второй опорной поверхности 36 между вторым концом 33 втулки 16 и буртиком 34 образован второй внутренний цилиндрический участок 41, предназначенный для приема седла 26 выпускного клапана 19, причем боковая стенка этого участка образует поверхность уплотнения для второго уплотнительного кольца 42, помещенного в канавке на наружной периферии седла 26 клапана.

Третий внутренний цилиндрический участок 43 расположен около второго конца 33 втулки 16. Он предназначен для приема цилиндрической пробки 44, выступающей от крышки 13, причем боковая стенка этого участка образует поверхность уплотнения для третьего уплотнительного кольца 45, помещенного в канавке на наружной периферии пробки 44. Крышка 13 с уплотнительным кольцом 45 показана на фиг. 6.

Четвертый внутренний цилиндрический участок 46, расположенный около первой опорной поверхности 35, предназначен для центрирования направляющего элемента 22 впускного клапана 18.

Пятый внутренний цилиндрический участок 47, следующий за третьим цилиндрическим участком 43 для крышки 13, предназначен для центрирования направляющего элемента 28 выпускного клапана 19.

Пространство между первой и третьей опорными поверхностями 35, 38 втулки 16 образует первую камеру 48 втулки, где в стенке втулки 16 выполнен первый комплект отверстий 50. Пространство между вторым и третьим цилиндрическими участками 41, 43 втулки 16 образует вторую камеру 49, где в стенке втулки 16 выполнен второй комплект отверстий 51. На фиг. 2А показана в поперечном разрезе перфорированная стенка втулки 16 в области первой и второй камер 48, 49 втулки.

Далее описание вновь ссылается на фиг. 1 и 2. Четвертое уплотнительное кольцо 52 помещено в наружной канавке 53 втулки 16 возле ее первого конца. Пятое уплотнительное кольцо 54 помещено в наружной канавке 55 втулки 16 в области между первым комплектом отверстий 50 и вторым комплектом отверстий 51. Шестое уплотнительное кольцо 56 помещено в наружной канавке 57 втулки 16 около ее второго конца.

Фиг. 3 изображает корпус 8 в продольном разрезе по оси 58 проточки 9. Проточка 9 содержит участки с различными поперечными сечениями. Начиная сверху, проточка 9 имеет первый цилиндрический участок 59, центрированный относительно оси 58, причем стенка проточки 9 образует поверхность уплотнения для уплотнительного кольца 52 около первого конца втулки 16, см. фиг. 2.

Второй цилиндрический участок 60 проточки расположен эксцентрично относительно оси 58 таким образом, что участок 60 проточки смещен к рабочему проходу 14, который заканчивается на участке 60 проточки.

- 3 006123

Третий цилиндрический участок 61 проточки центрирован относительно оси 58, причем стенка проточки 9 образует поверхность уплотнения для уплотнительного кольца 54 втулки 16, см. фиг. 2.

Четвертый цилиндрический участок 62 проточки расположен эксцентрично относительно оси 58 таким образом, что участок 62 проточки смещен к выпускному каналу 15, который заканчивается на участке 62 проточки.

Пятый цилиндрический участок 63 проточки, расположенный около ее свободного конца, центрирован относительно оси 58, причем стенка проточки 9 образует поверхность уплотнения для уплотнительного кольца 56 втулки 16, см. фиг. 2.

Фиг. 4 изображает корпус 8 в поперечном разрезе в плоскости АА на фиг. 3, а фиг. 5 изображает корпус в поперечном разрезе в плоскости ВВ на фиг. 3.

Корпус 8 снабжен резьбовыми отверстиями 64 для крепления к цилиндру 3 и монтажной плите 5 с помощью винтов 7. Кроме того, корпус снабжен резьбовыми отверстиями 65 для присоединения к нему подводящей трубы (не показана) таким образом, что она сообщается с впускным каналом 11. Аналогичным образом корпус 8 снабжен резьбовыми отверстиями (не показаны) для присоединения к нему отводящей трубы (не показана) таким образом, что она сообщается с выпускным каналом 15. Около свободного конца проточки 9 корпус 8 снабжен резьбовыми отверстиями для крепления крышки 13 винтами.

Для упрощения установки втулки 16 в проточке 9 и устранения риска повреждения уплотнительных колец и поверхностей уплотнения первый цилиндрический участок 59 проточки 9 должен иметь меньший диаметр, чем третий цилиндрический участок 61 проточки 9, который в свою очередь должен иметь меньший диаметр, чем пятый цилиндрический участок 63 проточки 9.

Опорное кольцо 17 и втулку 16 с клапанами 18 и 19 вставляют в проточку 9, как показано на фиг. 1, а крышку 13 надевают на корпус 8, закрывая свободный конец проточки 9. Пробка 44 на крышке 13 выступает в проточку 9 и во втулку 16, примыкая к направляющему элементу 28 выпускного клапана 19 и второму концу 33 втулки 16. Таким образом, крышка 13 прижимает втулку 16 к опорному кольцу 17, которое покоится на дне проточки 9. При этом седло 20 впускного клапана 18 прижато к телу 21 клапана и напрягает пружину 24. Одновременно крышка 13 продвигает направляющий элемент 28 выпускного клапана 19 во втулку 16, что вызывает напряжение пружины 30, прижимающей тело 27 клапана.

Когда втулка 16 с впускным клапаном 18 и выпускным клапаном 19 установлена в проточке 9 в корпусе 8, как показано на фиг. 1, эксцентрично расположенные участки 60, 62 проточки образуют эксцентричные кольцевые зазоры вокруг втулки 16. Эти кольцевые зазоры имеют наибольшее поперечное сечение, соответственно, на стороне, обращенной к рабочему проходу 14, и на стороне, обращенной к выпускному каналу 15. Наименьшие поперечные сечения кольцевых зазоров расположены диаметрально противоположно рабочему проходу и выпускному каналу.

При работе поршневого насоса 2 текучая среда на входе перемещается через клапанное устройство 1 и цилиндр 3 к выпускному каналу 15, в который текучая среда подается под более высоким давлением, чем во впускном канале 11. Такт впуска поршня 4 снижает давление в цилиндре 3, а вместе с тем и в первой камере 48 втулки. При этом разность давлений по обе стороны тела 21 впускного клапана 18 позволяет преодолеть усилие пружины 24 и отвести тело 21 клапана от седла 20. Выпускной клапан 19 закрыт. Текучая среда проходит из впускного канала 11 через седло 20 клапана в первую камеру 48 втулки и далее радиально из камеры 48 через отверстия 51 в цилиндр 3.

Затем поршень совершает рабочий ход, впускной клапан 18 закрывается, и давление текучей среды в цилиндре 3 повышается до тех пор, пока разность давлений по обе стороны тела 27 выпускного клапана 19 не преодолеет усилие пружины 30 клапана, отводя тело 27 клапана от седла 26 выпускного клапана 19. Текучая среда проходит из цилиндра 3 через отверстия 50 в радиальном направлении в первую камеру 48 и затем проходит через седло 26 выпускного клапана 19 во вторую камеру 49 и далее в радиальном направлении через отверстия 51 к выпускному каналу 15.

При возвратно-поступательном ходе поршня 4 корпус 8 и втулка 16 подвергаются воздействию переменного давления и, соответственно, переменным нагрузкам.

Так, можно упомянуть, что во время рабочего хода поршня 4 втулка 16 подвергается воздействию первого осевого усилия на первую кольцевую область, определяемую диаметром поверхностей уплотнения для первого уплотнительного кольца 40 и четвертого уплотнительного кольца 52, а также воздействию второго, противоположно направленного осевого усилия на вторую кольцевую область, определяемую диаметром поверхностей уплотнения для третьего уплотнительного кольца 45 и шестого уплотнительного кольца 56. Вследствие этого втулка 16 подвергается воздействию осевого усилия растяжения между этими кольцевыми областями. Размеры должны быть выбраны такими, чтобы суммарное усилие, т.е. разность между численными значениями первого и второго осевых усилий, прижимало первый конец 32 втулки 16 к опорному кольцу 17. Тогда область первого конца 32 втулки 16 подвергается воздействию усилия сжатия, которое соответствует указанному суммарному усилию.

При ходе впуска поршня 4 только область между вторым уплотнительным кольцом 42 и третьим/шестым уплотнительным кольцом 45, 46 подвержена воздействию рабочего давления насоса 2. Поскольку усилие на тело 27 выпускного клапана 19 воспринимается втулкой 16, область между вторым уплотнительным кольцом 42 и третьим уплотнительным кольцом 45 подвергается растяжению. Область

- 4 006123 между вторым уплотнительным кольцом 42 и первым концом 32 втулки 16 подвергается воздействию усилия сжатия, которое определяется рабочим давлением и диаметром проточки 9 на поверхности уплотнения для второго уплотнительного кольца 42.

Таким образом, область между вторым и третьим уплотнительными кольцами 42, 45 подвергается воздействию переменного усилия растяжения. Область между первым и вторым уплотнительными кольцами 40, 42 подвергается попеременно воздействию усилия растяжения и сжатия. Область между первым уплотнительным кольцом 40 и первым концом 32 втулки 16 подвергается воздействию переменного усилия сжатия. На основе этого специалист может подобрать размеры корпуса 8, опорного кольца 17 и втулки 16, чтобы обеспечить сопротивление переменным нагрузкам.

Claims (2)

1. Клапанное устройство (1) для поршневой машины, содержащее впускной клапан (18) и выпускной клапан (19), причем каждый клапан (18, 19) представляет собой подпружиненный клапан одностороннего действия, выполненный с возможностью открытия для потока при создании разностью давления в направлении потока усилия, превышающего напряжение пружины, при этом клапаны (18, 19) установлены в корпусе (8), который образует крышку цилиндра поршневой машины (2) или прикреплен к указанной крышке, отличающееся тем, что впускной клапан (18) и выпускной клапан (19) смонтированы во втулке (16), выполненной с возможностью установки в проточке (9) корпуса (8) таким образом, что текучая среда способна поступать к втулке (16) из впускного канала (11) в корпусе (8) и протекать во втулку (16) через впускной клапан (18), при этом втулка (16) имеет по меньшей мере один перфорированный участок, обеспечивающий протекание текучей среды в радиальном направлении из втулки (16) или во втулку (16) через отверстия (50, 51), тем самым ее протекание в проход (14, 15) или из указанного прохода, образующего перпендикулярный или близкий к перпендикулярному канал сообщения с проточкой (9).

2. Клапанное устройство по п.1, отличающееся тем, что проточка (9) имеет по меньшей мере один эксцентрично расположенный цилиндрический участок (60, 62), диаметр которого превышает диаметр смежных участков втулки (16), причем эксцентрично расположенный цилиндрический участок (60, 62)