Насосная система и способ ее управления - RU2107838C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к системам высокого давления, в частности к системе высокого давления, имеющей плунжерный насос, предназначенный для создания высокого и точно регулируемого по величине давления жидкости, и к способам управления такими системами.

В принципе возможно создание в жидкости давления высокой величины с любой требуемой точностью, поскольку в жидкости, к которой приложено усилие сжатия, возникает сила противодействия, которая прямо пропорционально изменяется в зависимости от приложенного усилия.

Однако точное регулирование высоких давлений в жидкостях, например, давлений в диапазоне от 1 МПа (10 бар) до 250 МПа (2,5 кбар) и выше, крайне затруднено, или даже невозможно по ряду причин.

В настоящее время регулируемые высокие давления в жидкости можно получить только с помощью насосов с цилиндрическими плунжерами. В таких насосах основные проблемы связаны с уплотнением между подвижным плунжером и цилиндром (обычно некоторые виды круглых колец). Для уплотнения жидкости высокого давления уплотнение должно прижиматься к внутренней стенке цилиндра с соответствующим высоким давлением, в результате чего между перемещающимися относительно друг друга деталями возникают высокие силы трения. Следствием этого является не только необходимость в создании значительного усилия для относительного перемещения деталей, но и неравномерный характер движения, обусловленный периодическими изменениями трения от трения покоя к трению скольжения.

Другой причиной, по которой трудно обеспечить плавное непрерывное относительное движение между плунжером и цилиндром насоса высокого давления, является наличие сил реакции, которые возникают при неизбежном относительном несовпадении осей плунжера и цилиндра. Любое отклонение от точного совпадения осей плунжера и цилиндра приводит к возникновению сил реакции, которые зависят не только от фактического давления, но и от относительного пространственного положения плунжера и цилиндра. Для решения этой проблемы приходится отказываться от использования жесткой связи между плунжером и приводным элементом, например, шпинделем, которая однако необходима для точного регулирования давления.

В хорошо известном измерительном устройстве с уравновешенным вращающимся плунжером проблема трения устраняется за счет использования в качестве уплотнения между плунжером и цилиндром жидкости с высокой вязкостью и вращения плунжера относительно цилиндра с одновременным осевым перемещением их относительно друг друга. Плунжер жестко крепится к платформе, а генерирующая давление сила создается путем размещения известной массы на платформе при вертикальном расположении осей плунжера и цилиндра (см., например, HIGH PRESSURE TECHNOLOGY, т. 1, Ian L.Spain и др., Ed. Marcel Dekker, Inc., New York, NY, 1977, стр. 285-294).

Основным недостатком этого устройства является необходимость точного совмещения осей плунжера и цилиндра с направлением силы тяжести и невозможность осуществления дискретного и автоматического регулирования давления. Кроме того, в ряде случаев существуют серьезные ограничения на использование для создания необходимого уплотнения жидкости с высокой вязкостью.

Известны способ и устройство для измерения изменений объема пластичных материалов в процессе их отвердения. Аппарат имеет измерительный цилиндр с полостью для пробы, плунжер, помещенный в эту полость и снабженный датчиком перемещений, датчик температуры, расположенный внутри полости, датчик давления и средство регулирования давления, которое позволяет создавать для плунжера два альтернативных уровня давления (см. EP-A-0275825).

Известен также насос для подачи жидкости при постоянном давлении, используемый в жидкостном хроматографе (см. US-A-3847507). Насос имеет раму, на которой установлен электродвигатель, который через понижающую зубчатую передачу приводит во вращение плунжер. Плунжер представляет собой винт, который взаимодействует с установленной на нем ведущей гайкой и входит в плунжер. Ведущая гайка фиксировано установлена на плунжере и совершает возвратно-поступательные перемещения вдоль расположенного на раме направляющего стержня. Насос винтового типа не предназначен для высоких давлений в диапазоне мегапаскалей и не позволяет создавать такие давления.

Таким образом, проблема создания высокого давления с плавным, непрерывным и точным регулированием его величины с помощью плунжерного насоса с автоматически регулируемым приводом, как, например, электродвигатель, оставалась до сих пор нерешенной.

Предметом изобретения является насосная система высокого давления, позволяющая создавать высокое давление, величину которого можно точно и плавно регулировать.

Другим предметом изобретения является насосная система высокого давления, в которой решены рассмотренные выше проблемы трения и несоосности.

Еще одним предметом изобретения является насосная система высокого давления, в которой не требуется использование высоковязкой уплотняющей жидкости и которая может работать в любом требуемом положении.

Указанные задачи решены с помощью насосной системы, содержащей раму, плунжер с продольной осью, шпиндель, соединенный с плунжером и имеющий вал и резьбу, шпиндельную гайку, установленную на шпинделе, цилиндр с отверстием для размещения в нем плунжера, которое практически соосно с плунжером и имеет возможность заполнения подлежащей испытаниям жидкой пробой, устройства для осуществления относительного вращения и относительных осевых перемещений плунжера по отношению к цилиндру, которые содержат устройство для создания относительного вращения шпинделя и шпиндельной гайки по отношению друг к другу. Согласно изобретению насосная система включает в себя упругое устройство, соединяющее цилиндр и шпиндельную гайку и/или плунжер и шпиндель.

Предпочтительными вариантами выполнения описанной выше насосной системы являются следующие.

Упругое устройство может содержать упругий, имеющий форму стержня элемент, соединяющий плунжер и шпиндель; упругий элемент, имеющий форму стержня, может быть расположен внутри соосного удлиненного конца шпинделя; приводное устройство может включать устройства, создающие чисто вращательное движение шпинделя, причем шпиндельная гайка снабжена устройствами, препятствующими ее вращению, а цилиндр может быть установлен на раме с возможностью перемещения в осевом направлении.

В другом варианте приводное устройство содержит устройства, создающие вращение и осевые перемещения шпинделя, причем шпиндельная гайка снабжена устройствами, препятствующими ее вращению и допускающими ее осевое движение, а цилиндр неподвижно установлен на раме.

В ином варианте выполнения цилиндр снабжен установочным устройством, допускающим его осевые перемещения и вращение, приводное устройство содержит устройство для вращения цилиндра, между цилиндром и шпиндельной гайкой установлено соединительное устройство, причем соединительное устройство обеспечивает совместное вращение цилиндра и гайки и допускает возможность их относительного осевого перемещения, а шпиндель установлен неподвижно на раме.

Еще в одном варианте исполнения цилиндр установлен с возможностью совершения только вращательного движения, причем между цилиндром и гайкой установлено соединительное устройство, которое обеспечивает совместное вращение цилиндра и гайки и допускает возможность их относительного осевого перемещения, а шпиндель установлен на раме с возможностью осевого перемещения, но без возможности вращения.

Насосная система может дополнительно включать в свой состав измерительное устройство, чувствительное к изменениям расстояния между цилиндром и шпиндельной гайкой.

Возможно использование в насосной системе измерительного устройства, чувствительного к изменениям объема жидкой пробы.

Насосная система может быть снабжена камерой для пробы, сообщающейся с отверстием цилиндра.

В состав насосной системы может входить устройство для регулирования температуры пробы.

Устройство для регулирования температуры содержит термостатическое устройство, датчики температуры и устройство регулирования, функционально соединенное с термостатическим устройством и датчиками.

Указанные задачи решаются также с помощью способа управления насосной системой, включающей плунжерный насос с приводным устройством, заключающегося в измерении давления и объема жидкой пробы и последующей передаче сигнала на соответствующие измерительные электрические устройства. Согласно настоящему изобретению при осуществлении способа одновременно измеряют температуру жидкой пробы, контролируют устройства для нагревания и охлаждения и передают соответствующий сигнал на соответствующее измерительное электрическое устройство, при этом заранее задают характеристики измеряемых параметров давления, объема и температуры жидкой пробы, а затем регистрируют величины параметров, изменяемых во времени, и соответствующие выходные сигналы.

Примеры выполнения изобретения подробно раскрыты в приведенном ниже описании предпочтительных вариантов, которые поясняются чертежами, где на фиг. 1 - вид сбоку на насосную систему с частичным разрезом системы высокого давления, содержащей насос высокого давления по первому варианту выполнения изобретения, на фиг.2 - вид спереди с частичным разрезом системы, показанной на фиг. 1, на фиг. 3 - изображение в изометрии основных деталей насосной системы, изображенной на фиг. 1 и 2, в которой плунжер имеет возможность вращения и неподвижен в осевом направлении, а цилиндр имеет возможность совершения осевых перемещений, на фиг. 4 - осевой разрез узла шпиндель-плунжер варианта системы, показанной на фиг. 1-3, на фиг. 5 - изображение в изометрии, аналогичное фиг. 3 второго варианта выполнения изобретения, в котором цилиндр неподвижен, а плунжер может перемещаться в осевом направлении и вращаться относительно цилиндра, на фиг. 6 - изображение в изометрии, аналогичное фиг. 3 третьего варианта выполнения изобретения, в котором цилиндр может вращаться и перемещаться в осевом направлении, а плунжер установлен неподвижно, на фиг. 7 - изображение в изометрии, аналогичное фиг. 3 четвертого варианта выполнения изобретения, в котором цилиндр может вращаться, а плунжер может перемещаться в осевом направлении.

Одни и те же элементы насосной системы, показанной на чертежах, имеют одинаковые позиции.

На фиг. 1-4 показана насосная система высокого давления, включающая установочную плиту 10 и корпус или раму 12. Два электродвигателя 14, 16, имеющие общий вал 18, соосно установлены в нижней части рамы 12. В средней части рамы установлена насосная система, обозначенная в сборе позицией 20, конструкция которой более подробно рассмотрена ниже со ссылкой на фиг. 3. Насосная система 20 имеет шпиндель 22, нижняя часть которого установлена с возможностью вращения в двух роликовых подшипниках 24 на раме, а нижний конец соединен через преобразующую зубчатую передачу 26 с приводным валом 18. В верхней части шпинделя 22 выполнена мелкая резьба 28. Верхний конец шпинделя 22 соединен с одним из концов выполненного в виде стержня упругого элемента 30 (фиг. 3), а другой конец соединен с цилиндрическим плунжером 32, причем оба изготовлены из стали. Плунжер 32 расположен в цилиндре 34, который изготовлен из стали и имеет центральное отверстие 36. Отверстие 36 сообщается с камерой 38 для пробы, образованной толстостенным контейнером 40, который соединен с цилиндром 34 через не пропускающее жидкость резьбовое соединение 42. Отверстие 36 и камера 38 для пробы могут заполняться исследуемой жидкой пробой.

На резьбовом конце 28 шпинделя расположена имеющая внутреннюю резьбу гайка 44, которая соединена с цилиндром 34 упругим элементом в виде мощной винтовой пружины 46, размеры которой позволяют выдерживать силу реакции, возникающую при нагружении пробы усилием сжатия.

Для предотвращения вращения гайки 44 используется направляющее устройство, которое состоит из двух роликов 48, образованных шарикоподшипниками, установленным на противоположных валиках 50, которые в свою очередь крепятся к гайке 44, как показано на фиг.3. Ролики 48 опираются на прямолинейные направляющие 52, которые закреплены на раме.

В отверстии цилиндра 34 имеется по крайней мере одна кольцевая канавка, в которой расположено круглое кольцо 54, уплотняющее расположенный в отверстии 36 цилиндра плунжер 32.

Первое дистанционное измерительное устройство 56 установлено на боковом стержне 58, который крепится к цилиндру 34, и имеет чувствительный стержень 60, который упирается в валик 50. Другое дистанционное измерительное устройство 62 с возможностью регулировки установлено на раме 12 и имеет чувствительный стержень 64, который упирается в стержень 58.

Как показано на фиг. 4, шпиндель 22 имеет полый верхний участок 22а, внутренний конец которого образует установочное отверстие, в которое запрессован конец удлиненного цилиндрического стержня 66 плунжерного узла, состоящего из этого установочного стержня 66, плунжера 32 и соединительного элемента 30. Полый цилиндрический участок 22а охватывает упругий элемент и препятствует его изгибу. Свободный конец 68 плунжера 32 выполнен в виде конуса, что облегчает прохождение плунжера через круглое уплотнительное кольцо 54 при его установке в отверстие 36 цилиндра.

Работа системы осуществляется следующим образом. Отверстие 36 цилиндра и камера 38 для пробы полностью заполняются исследуемой жидкой пробой. Проба поступает через отверстие в верхнем конце контейнера с пробой, которое затем закрывается резьбовой пробкой 70. При включении одного или двух электродвигателей 14,16 шпиндель 22 через понижающую зубчатую передачу 26 приводится во вращение. Плунжер 32 движется по спирали относительно цилиндра и, вращаясь, перемещается внутрь отверстия 36 цилиндра. Относительно рамы 12 плунжер совершает чисто вращательное движение и такое же движение он совершает относительно цилиндра 34, который может перемещаться в осевом направлении и не может вращаться благодаря наличию системы роликов 48 и направляющих 52. При вращении плунжера и осевом перемещении цилиндра происходит винтовое перемещение плунжера относительно отверстия цилиндра. Вращение исключает трение покоя между уплотнением 54 высокого давления и плунжером 32.

Линейное перемещение цилиндра 34 относительно плунжера 32 является функцией сжимаемости жидкой пробы. Это линейное перемещение измеряется дистанционным измерительным устройством 62.

Осевая сила, возникающая при сжатии жидкой пробы и пропорциональная удлинению пружины 46, измеряется дистанционным измерительным устройством 56. При этом это устройство может быть откалибровано в единицах силы или давления.

Момент, приложенный к гайке 44 и обусловленный силами трения между плунжером 32 и уплотнением 54, воспринимается системой роликов 48 и направляющих 52. Нежелательные силы, связанные с несоосностью плунжера 32 и отверстия 36 цилиндра, сведены к минимуму за счет изгиба упругого элемента 30. Упругий элемент защищен от недопустимого прогиба полым верхним участком 22а шпинделя 22, как показано на фиг. 4. Точное и надежное регулирование давления обеспечивается за счет жесткой связи между плунжером 32 и шпинделем 22, образованной достаточно прочным и жестким и одновременно достаточно податливым элементом 30.

При испытаниях жидких проб в изотермических условиях используется только один электродвигатель 14 или 16, который вращает шпиндель со сравнительно низкой скоростью. Другой двигатель работает при этом как спидометр.

При испытаниях в псевдоадиабатических условиях используются два высокомоментных двигателя постоянного тока, которые позволяют осуществить быстрый подъем давления и быстрое сжатие.

На фиг. 5, аналогичной фиг. 3, показаны основные детали второго варианта выполнения изобретения. Вариант по фиг. 5 во многом совпадает с вариантом по фиг. 3 и 4, поэтому рассмотрены только различия в этих вариантах.

Основное отличие от фиг. 3 состоит в том, что цилиндр 34 неподвижно закреплен на раме 12, а плунжер 32 может перемещаться в осевом направлении и вращаться относительно отверстия 36 цилиндра. Возможность такого дополнительного осевого перемещения осуществляется за счет того, что на заднем конце шпинделя 22 выполнены продольные шлицы 72, на которых расположено зубчатое колесо 74 с внутренними шлицами, которое может вращаться, но не может перемещаться в осевом направлении; это колесо установлено на раме 12 в шарикоподшипниках 24 и приводится во вращение шестерней 76, соединенной с валом 18 приводного двигателя. Дистанционное измерительное устройство 56, предназначенное для измерения приложенного усилия, установлено между рамой и одним из боковых валиков 50. Между рамой и торцем переднего конца шпинделя 22 расположено дистанционное измерительное устройство, которое предназначено для измерения сжимаемости.

Кроме того, в этом варианте плунжер 32 совершает винтовое уменьшающее трение покоя движение относительно цилиндра 34, а между цилиндром и шпиндельной гайкой 44 установлен упругий или пружинный элемент 46.

Вариант по фиг. 6 отличается от рассмотренных выше вариантов тем, что шпиндель неподвижен и крепится к раме 12 с помощью выполненного в виде трубы установочного элемента 78, который соединен со шпинделем шлицевым соединением, исключающим возможность любого вращения шпинделя. Цилиндр 34 установлен на раме 12 с помощью опоры качения 80, которая допускает его вращение и осевые перемещения. Цилиндр 34 соединен со шлицевым валом 82, на котором установлено имеющее внутренние шлицы зубчатое колесо 84, которое установлено на раме с помощью подшипника 86 и может вращаться, но не может перемещаться в осевом направлении. Зубчатое колесо 84 входит в зацепление с шестерней 76, установленной на валу 18 приводного двигателя. Вращение цилиндра 34 благодаря наличию системы направляющих 88 и роликов 90 передается шпиндельной гайке 44. Винтовая пружина 46 или другой упругий элемент соединяет цилиндр 34 и гайку 44. Между гайкой 44 и цилиндром 34, а более конкретно - между гайкой 44 и одной из направляющих 88, расположено чувствительное к усилию дистанционное измерительное устройство 56. Чувствительное к изменению объема дистанционное измерительное устройство 62 установлено между рамой и цилиндром 34, а более конкретно - между рамой и торцем переднего конца шлицевого вала 82.

В этом варианте центральное отверстие 36 цилиндра образует камеру для пробы. В модифицированном варианте центральное отверстие 36 проходит внутрь шлицевого вала 82. Согласно другой модификации шлицевой вал 82 имеет центральное отверстие, а его задний конец соединяется с контейнером для пробы, аналогичным контейнеру 40 в варианте по фиг. 1-4. В этом случае у свободного торца контейнера можно установить устройство 62.

В варианте по фиг. 7 имеется вращающийся и неподвижный в осевом направлении цилиндр и подвижный в осевом направлении, но не вращающийся плунжер 32. Цилиндр 34 имеет вал 92, установленный на раме с помощью подшипников 94 и соединенный с двигателями 14, 16 зубчатой передачей 26. Камера для пробы образована отверстием 36 цилиндра или дополнительно частью отверстия, расположенной внутри вала 92, или камерой для пробы (не показана), соединенной с центральным отверстием вала 92, как в варианте по фиг. 6.

Шлицевой вал 22 имеет шлицевой задний участок 96, который расположен внутри имеющего внутренние шлицы опорного элемента 98, который допускает осевые перемещения шлицевого вала 22 и препятствует его вращению. Гайка 44, расположенная на резьбовом участке 28 шлицевого вала 22, соединена аналогично фиг. 6 системой направляющих 88 и роликов 90 с цилиндром 34 и вращается вместе с ним. Как и на фиг. 6, чувствительное к усилию дистанционное измерительное устройство 56 расположено между гайкой и цилиндром. Чувствительное к изменению объема дистанционное измерительное устройство 62 расположено между рамой и шпинделем 22. Винтовая пружина 46 или другой упругий элемент соединяет цилиндр 34 и шпиндельную гайку 44.

Работа устройств в вариантах выполнения по фиг. 5-7 аналогична работе устройства варианта выполнения по фиг. 1-4.

Описанные выше системы могут успешно применяться для различного рода испытаний жидких проб. Предпочтительной областью применения являются испытания сырой нефти.

При некоторых видах испытаний, о которых сказано ниже, в процессе испытаний требуется изменять и измерять температуру пробы. В этих случаях описанные выше системы необходимо оборудовать обычными датчиками температуры и устройствами регулирования температуры, например, каналами для прокачки жидкости с регулируемой температурой для регулирования температуры камер, в которых находится проба, т.е. цилиндра 34 и контейнера 40 с пробой.

В качестве такого устройства регулирования температуры можно использовать термостат 100, датчики температуры 102a и 102b и блок 104 регулирования.

Обычно дистанционные измерительные устройства 56 и 62, которые показаны на чертежах как измерительные приборы, содержат электрические преобразователи, электрический сигнал на выходе из которых используется в целях регистрации и/или регулирования.

Как уже было отмечено выше, только один из электродвигателей 14,16 используется при испытаниях жидкой пробы в изотермических условиях, а другой двигатель используется в качестве измерителя скорости. При этом этот второй двигатель вырабатывает сигнал скорости, который используется для регулирования мощности, подаваемой на приводной двигатель, и поддержания на постоянном уровне скорости сжатия. Одновременно со сжатием регистрируются с помощью устройства 56 изменение давления и с помощью устройства 62 изменение объема. При необходимости с помощью указанного выше регулирования температуры температуру пробы можно поддерживать постоянной.

При испытаниях в псевдоадиабатических условиях для быстрого подъема давления возбуждаются оба двигателя, и при этом регистрируются изменения силы и объема.

При испытаниях в изохорических условиях температура пробы меняется, а электрический сигнал на выходе из чувствительного к объему устройства 62 используется для регулирования приводного двигателя или двигателей таким образом, чтобы во время сжатия объем оставался постоянным. Регистрируются изменения давления и температуры.

При испытаниях в изобарических условиях температура исследуемой пробы меняется, а электрический сигнал на выходе из чувствительного к силе устройства 56 используется для регулирования приводного двигателя или двигателей 14, 16 таким образом, чтобы давление оставалось постоянным.

Предлагаемый насос имеет много существенных преимуществ по сравнению с известными насосами: можно быстро поднимать давление, например от нуля до 200 МПа (2000 атм) в пределах 10 секунд, можно очень точно регулировать давление, например в пределах 0,05 МПа (0,5 атм) при давлении около 200 МПа (2000 атм), можно быстро изменять условия, например давление можно менять с частотой до приблизительно 5 Гц.

Предлагаемый насос можно использовать для различных испытаний, например, для моделирования термодинамических процессов, таких, как цикл Карно, измерения термодинамических параметров жидкостей в существенно различных условиях и т.п.

Специалист в данной области может предложить различные модификации рассмотренных выше вариантов выполнения изобретения. В частности, в качестве пружинного элемента можно использовать сильфон или другое упругое средство, выдерживающее приложенные к нему усилия.

Реферат

Использование: в системах высокого давления. Сущность изобретения: включает в себя плунжерный насос, который имеет плунжер 32, соединенный со шпинделем 22, шпиндельную гайку 44 на указанном шпинделе, цилиндр 34 с отверстием 36 для указанного плунжера, механизм 14,16,26 для создания относительного вращения и относительного осевого перемещения плунжера и цилиндра, включающий устройство для относительного вращения шпинделя и гайки. Винтовая пружина 46 или другой упругий элемент соединяет друг с другом цилиндр 34 и шпиндельную гайку 44, компенсируя силу реакции, создаваемую находящейся в отверстии 36 цилиндра под давлением жидкой пробой в процессе ее сжатия. Упругий элемент 30 соединяет плунжер 32 и шпиндель 22, компенсируя любую несоосность плунжера и отверстия цилиндра. Способ управления состоит в одновременном измерении температуры жидкой пробы. Контролируют устройства для нагревания и охлаждения и передают соответствующий сигнал на соответствующее измерительное электрическое устройство. Заранее задают характеристики измеряемых параметров давления, объема и температуры жидкой пробы. Регистрируют величины параметров, измеряемых во времени и соответствующие выходные сигналы. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

Формула