Способ компенсации пульсаций расхода объемного насоса и насосная установка для его осуществления

 

Изобретение предназначено для использования в насосостроении, в частности для компенсации пульсаций расхода одновременно во всасывающем и в напорном каналах регулируемых и нерегулируемых объемных насосов при любом количестве рабочих камер. Синхронно с изменением мгновенного характерного объема насоса 1 благодаря наличию синхронизирующей связи 9 между приводным валом 8 гидромашины 5 и приводным валом 10 насоса 1 изменяется мгновенный характерный объем гидромашины 5. Величина мгновенного характерного объема гидромашины 5 по отношению к каждому из каналов 2 и 3 насоса 1 для каждого из углов поворота приводного вала 10 насоса 1 и для всех возможных положений регулирующего органа 12 насоса 1 с допустимой погрешностью изменяется пропорционально разности максимального и текущего мгновенных характерных объемов насоса 1, что обеспечивается соответствующим исполнением гидромашины 5 на основании результатов расчетов. Во входном и выходном каналах 6 и 7 гидромашины 5 формируется пульсирующий поток жидкости с корректирующим расходом, величина которого по отношению соответственно к всасывающему и напорному каналам 2 и 3 насоса 1 каждый момент времени (при каждом угле поворота приводного вала 10 насоса 1) с допустимой погрешностью равна разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса 1. В результате на участке всасывающего канала 2 насоса 1 до места присоединения к нему входной магистрали 6 гидромашины 5 устройства 4 и на участке напорного канала 3 насоса 1 после места присоединения к нему выходного канала 7 гидромашины 5 достигается снижение пульсаций расхода жидкости, обусловленных несовершенством кинематики качающего узла насоса 1, до заданного допустимого уровня при обеспечении величины скорректированного расхода насосной установки на уровне максимального мгновенного расхода насоса 1. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к насосостроению, в частности к способу компенсации пульсаций расхода объемного насоса, вызванных несовершенством кинематики качающегося узла насоса, и к конструкции насосной установки для осуществления способа и может найти применение для компенсации пульсаций расхода одновременно во всасывающем и напорном каналах регулируемых и нерегулируемых объемных насосов, имеющих любое количество рабочих камер.

Известен способ снижения пульсаций расхода (подачи) в напорном и всасывающем каналах многокамерного поршневого насоса с общей приводной частью и общими магистральными трубопроводами путем взаимного смещения рабочих циклов вытеснительных элементов насоса по фазе [1]. Данный способ позволяет исключить паузы в движении рабочей жидкости на входе и выходе насоса и в определенной степени уменьшить неравномерность расхода (подачи) насоса, особенно при применении нечетного количества рабочих камер насоса и увеличении кратности их действия.

Однако этот способ применим лишь для многокамерных насосов, но и для них он не всегда обеспечивает достаточное снижение пульсаций расхода, поскольку количество рабочих камер насоса и кратность их действия, как правило, ограничены из конструктивных соображений.

Известна многокамерная поршневая насосная установка с общей приводной частью и общими магистральными трубопроводами [1].

Недостатком такой насосной установки является значительная неравномерность расхода (подачи), обусловленная особенностями кинематики качающего узла насоса, а именно переменной скоростью движения вытеснительных элементов насоса. Наличие пульсаций расхода, т.е. чередование его нарастания и уменьшения, вызывает пульсации давления в присоединенных к насосу трубах и гидроаппаратах, что ведет к появлению шума, вибраций и сокращению срока службы как самой насосной установки, так и других элементов гидросистемы вследствие накопления усталостных повреждений материалов конструкций, связанных с их циклическим нагружением.

Известен способ компенсации пульсаций расхода объемного насоса, включающий корректирование расхода насоса путем формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счет использования энергии пульсаций перекачиваемой среды в канале насоса периодическим отбором жидкости из канала насоса и возвратом ее в тот же канал в противофазе с колебаниями расхода жидкости в канале насоса, если канал напорный, и в фазе, если канал всасывающий, согласно которому величину корректирующего расхода пульсирующего потока жидкости формируют как функцию текущего значения скорости изменения давления в канале насоса посредством пневмогидравлического аккумулятора, присоединенного своей жидкостной полостью к каналу насоса [1].

При использовании рассматриваемого способа величина корректирующего расхода в каждый момент времени формируется самопроизвольно, как функция текущих значений давления в канале насоса и скорости изменения давления. Колебания же давления в канале насоса в процессе его работы вызываются не только неравномерностью расхода насоса, но и изменением режима работы гидросистемы, в состав которой входит насос, в частности, изменением нагрузки, на которую работает гидросистема. Таким образом, известный способ предназначен для компенсации пульсаций давления в канале насоса, вызванных не только колебаниями расхода насоса, но и внешними причинами, никак не связанными с несовершенством кинематики качающего узла насоса.

Эффективная компенсация пульсаций расхода насоса при использовании данного способа может быть достигнута лишь в том идеальном случае, когда частота собственных колебаний пневмогидравлического аккумулятора, определяемая его динамическими и геометрическими параметрами (в частности параметрами, характеризующими его жесткость, инерционные и демпфирующие свойства), совпадает с частотой пульсаций расхода насоса.

Частота собственных колебаний пневмогидравлического аккумулятора в значительной степени зависит от его жесткости, определяемой конструктивным объемом аккумулятора, давлением его зарядки газом и текущим значением абсолютного давления находящегося в аккумуляторе газа, величина которого тесно взаимосвязана с величиной давления в жидкостной полости аккумулятора и, естественно, изменяется в процессе работы гидросистемы. Прочие параметры аккумулятора являются неизменными. С увеличением давления газа жесткость аккумулятора и соответственно частота его собственных колебаний при прочих равных условиях увеличиваются. В результате при эксплуатации пневмогидравлического аккумулятора, имеющего фиксированные параметры и рассчитанного на определенную частоту подлежащих гашению пульсаций давления, не обеспечивается автоматическое согласование частоты собственных колебаний аккумулятора с частотой пульсации расхода насоса при отклонении режима работы насоса от расчетного (например, из-за изменения нагрузки, на которую работает гидросистема, подключенная к насосу). Более того, если при увеличении нагрузки и соответственно давления в канале насоса частота собственных колебаний пневмогидравлического аккумулятора увеличивается (так как происходит сжатие газа в аккумуляторе и рост жесткости последнего), то угловая скорость вращения вала приводящего двигателя насоса и пропорциональная ей частота пульсаций расхода насоса уменьшаются, т.е. указанные частоты обоюдно расходятся.

Кроме того, следует отметить, что пульсации расхода насоса и обусловленные ими пульсации давления представляют собой полигармонический процесс, а пневмогидравлический аккумулятор обеспечивает эффективное гашение только той гармонической составляющей разложения в ряд пульсаций давления, частота которой совпадает с частотой его собственных колебаний. Следовательно, даже в условиях резонанса эффективная компенсация пульсаций давления (и соответственно пульсаций расхода насоса) возможна лишь в узком диапазоне частот, близких к частоте собственных колебаний пневмогидравлического аккумулятора. В случае же существенных изменений угловой скорости вращения приводного вала насоса и пропорциональной ей частоты пульсаций расхода насоса возможно такое расхождение частоты пульсаций расхода (давления) с частотой собственных колебаний пневмогидравлического аккумулятора, что эффект от его применения будет отсутствовать. Отсутствие эффекта возможно и при постоянной угловой скорости вращения приводного вала насоса в случае вызванного изменением режима работы гидросистемы существенного изменения давления в канале насоса.

Таким образом, самопроизвольно формирующаяся в функции текущих значений скорости изменения давления в канале насоса и непосредственно самого давления величина корректирующего расхода жидкости в общем случае неизбежно отличается от необходимой для компенсации пульсаций расхода насоса до приемлемого уровня.

Следует отметить также, что формирование пульсирующего потока жидкости с корректирующим расходом в функции скорости изменения давления в канале насоса путем использования энергии пульсаций жидкости посредством пневмогидравлического аккумулятора не может обеспечить получение полностью равномерного потока в канале насоса, поскольку в соответствии с принципом своего действия аккумулятор реагирует только на изменения давления.

Следовательно, известный способ не обеспечивает стабильной компенсации пульсаций расхода объемного насоса при переменных режимах его эксплуатации.

Известна насосная установка, содержащая объемный насос с всасывающим и напорным каналами, устройство для компенсации пульсаций расхода насоса, выполненное в виде пневмогидравлического аккумулятора, жидкостная полость которого гидравлически соединена с каналом насоса [1].

Данная насосная установка не обеспечивает стабильной компенсации пульсаций расхода объемного насоса, что объясняется неизменными конструктивными параметрами пневмогидравлического аккумулятора (рассчитанными на вполне определенный режим работы насоса), которые предопределяют ограниченные возможности аккумулятора в отношении формирования потребного корректирующего расхода жидкости при переменных режимах работы насоса.

Даже в том случае, когда собственная частота колебаний пневмогидравлического аккумулятора совпадает с коммутационной частотой объемного насоса, аккумулятор эффективно гасит только одну соответствующую гармоническую составляющую пульсаций расхода насоса, имеющих полигармонический характер, и практически не снижает амплитуды высокочастотных гармонических составляющих.

Изменение давления в напорном канале насоса приводит к изменениям давления и объема газа, заполняющего газовую полость пневмогидравлического аккумулятора, и, как следствие этого, к изменению жесткости и частоты собственных колебаний аккумулятора, что существенно уменьшает эффект от его использования. В конструкции пневмогидравлического аккумулятора не предусмотрено средств, позволяющих поддерживать его жесткость неизменной вне зависимости от величины давления в канале насоса.

Полное исключение колебаний расхода в канале насоса рассматриваемой насосной установки при ее работе не может быть достигнуто, поскольку при приближении потока к равномерному снижаются пульсации давления, обусловленные пульсациями расхода, и соответственно уменьшается перепад давления в канале насоса и газовой полости аккумулятора, предопределяющий движение жидкости из канала насоса в аккумулятор и наоборот. При малых же перепадах давления указанное движение жидкости (вследствие которого собственно и происходит компенсация пульсаций расхода в канале насоса) не может обеспечить компенсацию колебаний расхода в канале насоса.

Таким образом, формирование корректирующего расхода жидкости в функции текущих значений скорости изменения давления в канале насоса и непосредственно самого давления посредством применения пневмогидравлического аккумулятора в известной установке характеризуется постоянным расхождением пульсационной составляющей расхода насоса и формируемого корректирующего расхода, так как пневмогидравлический аккумулятор, как колебательная система, имеет ограниченные возможности по согласованию с параметрами насосной установки с целью компенсации пульсаций расхода (давления).

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является взятый в качестве прототипа способ компенсации пульсаций расхода объемного насоса, включающий корректирование расхода насоса путем формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счет использования энергии внешнего источника (энергии, подводимой к приводному валу насоса) периодическим отбором жидкости из канала насоса и направлением ее в канал, при этом величину корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени принудительно задают как функцию текущих значений угла поворота и угловой скорости вращения приводного вала насоса, согласно которому жидкость отбирают из напорного канала насоса, а возвращают во всасывающий канал, причем величину корректирующего расхода отбираемой жидкости в каждый момент времени принудительно задают равной величине пульсаций [2].

Формирование пульсирующего потока жидкости для создания корректирующего расхода жидкости путем использования энергии внешнего источника вместо энергии пульсаций перекачиваемой среды обеспечивает принудительное, а не самопроизвольное формирование корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени, не зависящее от текущих значений величины давления в канале насоса и скорости его изменения, и делает возможным согласование величины корректирующего расхода жидкости с углом поворота и угловой скоростью вращения приводного вала насоса, текущие значения которых определяют величину мгновенного расхода насоса и соответственно формируемого корректирующего расхода жидкости. В результате создаются условия для снижения уровня пульсаций скорректированного расхода жидкости в канале насоса.

Однако для получения по данному способу равномерного или близкого к равномерному потока жидкости необходимо, чтобы величина расхода жидкости, отбираемой из напорного канала насоса и направляемой во всасывающий канал, имела значение, определяемое разностью текущего значения расхода насоса и мгновенного минимального расхода насоса или близкого к минимальному. В результате скорректированный расход, получаемый в канале насоса, принимает значение на уровне мгновенного минимального расхода или близкого к нему, т. е. значение, всегда меньшее величины среднего расхода насоса. Таким образом, известный способ приводит к уменьшению расхода (подачи) насоса по сравнению с его потенциально возможным при прочих равных условиях значением.

Кроме того, получение равномерного потока данным способом возможно только для многокамерных насосов, у которых величина мгновенного минимального расхода всегда выше нуля. Получение же равномерного потока при использовании двухкамерных и однокамерных насосов, у которых величина мгновенного минимального расхода равна нулю, этим способом невозможно, поскольку требует снижения скорректированного расхода насоса до нуля. Данное обстоятельство снижает универсальность способа и ограничивает область его применения только многокамерными насосами, для которых проблема снижения пульсаций расхода стоит менее остро.

Следует отметить также, что в известном способе не установлено определение величины корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени (для каждого значения угла поворота приводного вала насоса).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству для осуществления способа является взятая в качестве прототипа насосная установка, содержащая объемный насос с всасывающим и напорным каналами, устройство для компенсации пульсаций расхода насоса, выполненное в виде регулируемой многокамерной гидромашины с входной и выходной магистралями, при этом входная магистраль гидромашины соединена с напорным каналом насоса, выходная магистраль - со всасывающим каналом насоса, а приводной вал гидромашины соединен посредством синхронизирующей кинематической связи с приводным валом насоса [2] . Многокамерная гидромашина содержит по крайней мере две рабочие камеры переменного объема, выполненные с возможностью гидравлического соединения попеременно с входной и выходной магистралями гидромашины.

Снабжение многокамерной гидромашины синхронизирующей кинематической связью с приводным валом насоса создает условия для согласования мгновенной величины корректирующего расхода жидкости с углом поворота и угловой скоростью вращения приводного вала насоса. Однако для рассматриваемой насосной установки не установлены параметры гидромашины, обеспечивающие решение задачи снижения пульсаций скорректированного расхода до желаемого уровня в соответствии с известным способом, в частности потребная связь между величиной мгновенного характерного объема гидромашины и текущим значением угла поворота приводного вала насоса, что затрудняет реализацию способа.

Если предположить, что указанная насосная установка реализует закон изменения величины корректирующего расхода в соответствии с известным способом, то скорректированный расход, получаемый на выходе насосной установки, имеет значение на уровне мгновенного минимального расхода насоса или близком к указанному уровню, т.е. меньшее величины среднего расхода насоса. Это связано с тем, что жидкость, отбираемую из напорного канала насоса через входную магистраль гидромашины, возвращают во всасывающий канал насоса через выходную магистраль в объеме величины пульсации. В результате расход на выходе насосной установки имеет значение, меньшее потенциально возможного при прочих равных условиях.

Кроме того, известная установка не содержит средств для автоматического согласования параметров многокамерной гидромашины с изменениями характерного объема регулируемого насоса несмотря на то, что она выполнена регулируемой. Это приводит к необходимости вручную производить регулировку гидромашины в соответствии с изменениями характерного объема насоса, что может привести к нерациональному использованию гидромашины и в конечном итоге к повышению уровня пульсаций расхода при изменении характерного объема насоса, снижая эффективность применения данной установки в целом.

Основной технической задачей, решаемой группой изобретений, является создание способа компенсации пульсаций расхода как регулируемого, так и нерегулируемого объемного насоса, характеризующегося увеличением расхода насоса по сравнению с прототипом до максимального уровня, обеспечиваемого параметрами насоса, за счет того, что жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, а величину корректирующего расхода в каждый момент времени формируют с допустимой погрешностью, равной разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса, что дополнительно повышает универсальность способа благодаря возможности его применения не только для многокамерных, но и для одно- и двухкамерных насосов.

Следующей основной технической задачей группы изобретений является создание устройства для реализации способа, обеспечивающего реализацию закона изменения величины корректирующего расхода в соответствии со способом.

Задачей изобретения, относящегося к устройству, является также создание устройства для реализации способа, обеспечивающего автоматическое согласование параметров устройства для компенсации пульсаций расхода с текущим значением характерного объема регулируемого насоса, что позволяет получить одинаково низкий уровень пульсаций скорректированного расхода при любом режиме работы регулируемого насоса и соответственно повышает эффективность применения способа и универсальность устройства.

Для решения поставленной задачи в известном способе компенсации пульсаций расхода объемного насоса, включающем корректирование расхода насоса путем формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счет использования энергии внешнего источника периодическим отбором жидкости из канала насоса и направлением ее в канал, при этом величину корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени принудительного задают как функцию текущих значений угла поворота и угловой скорости вращения приводного вала насоса, согласно изобретению, жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, а величину корректирующего расхода в каждый момент времени формируют с допустимой погрешностью, равной разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса, в соответствии с формулой (1) где Q_к - величина корректирующего расхода жидкости; Q_макс - расчетная величина максимального мгновенного расхода насоса; Q_мг - расчетная величина текущего мгновенного расхода насоса; εQ - максимальное допустимое отличие по абсолютной величине расчетного значения текущего мгновенного расхода скорректированного потока в канале насоса от расчетной величины максимального мгновенного расхода насоса; ω - текущее значение угловой скорости вращения приводного вала насоса; q_макс - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального максимального мгновенного расхода насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (максимальный мгновенный характерный объем насоса); ϕ - текущее значение угла поворота приводного вала насоса;
q_мг(ϕ) - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального мгновенного расхода насоса при текущем значении угла поворота ϕ приводного вала насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (текущий мгновенный характерный объем насоса);
η_о.н - объемный КПД насоса.

В соответствии с изобретением, относящимся к устройству для реализации способа, в известной насосной установке, содержащей объемный насос с всасывающим и напорным каналами, устройство для компенсации пульсаций расхода насоса, выполненное в виде гидромашины с входной и выходной магистралями, содержащей по крайней мере две рабочие камеры переменного объема, выполненные с возможностью гидравлического соединения попеременно с входной и выходной магистралями, приводной вал которой снабжен синхронизирующей связью с приводным валом насоса, согласно изобретению, входная магистраль гидромашины соединена со всасывающим каналом насоса, а выходная магистраль - с напорным, и мгновенный характерный объем гидромашины для каждого угла поворота приводного вала насоса определяется на основании выражения
q_гм(ϕ) = {[q_макс-q_мг(ϕ)]η_о.н± δ}/(i_c.cη_o.г), (2)
где
q_гм(ϕ) - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального мгновенного расхода гидромашины при текущем значении угла поворота ϕ приводного вала насоса значению угловой скорости вращения приводного вала гидромашины (мгновенный характерный объем гидромашины);
δ - коэффициент пропорциональности максимально допустимого отличия по абсолютной величине расчетного значения текущего мгновенного расхода скорректированного потока в канале насоса от расчетной величины максимального мгновенного расхода насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса;
i_с.с - передаточное отношение синхронизирующей связи, представляющее собой отношение угловой скорости вращения приводного вала гидромашины к угловой скорости вращения приводного вала насоса;
η_о.г - объемный КПД гидромашины.

В частных случаях исполнения поставленная техническая задача достигается за счет следующих признаков устройства.

Согласно изобретению регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса с обеспечением пропорциональности их перемещений.

Согласно изобретению регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса кинематически.

Согласно изобретению регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса посредством сельсинов.

Согласно изобретению регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса посредством электрогидравлического устройства.

Согласно изобретению связь приводного вала гидромашины с приводным валом насоса выполнена размыкаемой.

Согласно изобретению в гидравлических соединениях между входной магистралью гидромашины и всасывающим каналом насоса и выходной магистралью гидромашины и напорным каналом насоса установлены краны.

Формирование величины корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени с допустимой погрешностью, равной разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса, в соответствии с формулой (1) при условии, что жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, обеспечивает увеличение скорректированного расхода насоса по сравнению с прототипом до максимального уровня, определяемого при прочих равных условиях параметрами насоса, а именно до величины максимального мгновенного расхода насоса, с погрешностью, не превышающей наперед заданную допустимую величину, при снижении пульсаций скорректированного расхода до уровня указанной погрешности. Для каждого из каналов насоса (всасывающего и напорного) величина скорректированного мгновенного расхода Q_мгск (соответственно: расхода жидкости, забираемой из гидробака, и расхода жидкости, подаваемой в гидросистему) по отдельности равна;
.

Очевидно, что в случае εQ = 0 , т.е. при формировании величины корректирующего расхода жидкости, в каждый момент времени, равный разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов в соответствующем канале насоса, в каждом из каналов насоса достигается практически полное отсутствие пульсаций скорректированного расхода.

В соответствии с формулой (1) расчетные величины максимального и текущего мгновенных расходов насоса определяются через коэффициенты пропорциональности их идеальных значений (равные соответственно максимальному и текущему мгновенным характерным объемам насоса) величине угловой скорости вращения приводного вала насоса, умноженные на величину объемного КПД насоса и угловую скорость вращения его приводного вала. Упомянутые коэффициенты пропорциональности идеальных значений максимального и текущего мгновенных расходов насоса величине угловой скорости вращения приводного вала насоса в совокупности с объемным КПД насоса определяются конструктивными параметрами насоса и (при допущении о постоянстве объемного КПД насоса) не зависят от текущего значения угловой скорости вращения его приводного вала. Величина разности максимального и текущего мгновенных характерных объемов насоса, которой при фиксированной частоте вращения приводного вала насоса с учетом объемного КПД пропорционально изменение текущего значения расхода насоса [см. формулу (1)], а именно: пропорциональна абсолютная величина пульсационной составляющей расхода насоса относительно максимального мгновенного значения расхода насоса, - может быть заложена при проектировании в конструктивные параметры устройства для осуществления способа с целью обеспечения формирования для каждого из каналов насоса корректирующего расхода, адекватного абсолютной величине пульсационной составляющей расхода насоса в этом канале относительно максимального мгновенного расхода насоса.

При использовании предлагаемого способа становится возможным повышение равномерности потока жидкости не только для многокамерных, но и для двухкамерных и даже однокамерных насосов (для которых величина минимального мгновенного расхода равна нулю), поскольку для снижения уровня пульсаций расхода согласно данному способу (в отличие от прототипа) не требуется снижения скорректированного расхода насоса до величины минимального мгновенного расхода насоса. Это повышает универсальность способа и расширяет область его применения.

Реализация закона изменения величины корректирующего расхода в соответствии с изобретением становится возможной за счет использования в насосной установке для осуществления способа соединения входной магистрали гидромашины устройства для компенсации пульсаций расхода со всасывающим каналом насоса, а выходной магистрали - с напорным каналом насоса при обеспечении согласования параметров корректирующего расхода жидкости (с допустимой погрешностью) с текущим значением разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса в каждом из каналов насоса, что достигается выбором мгновенного характерного объема гидромашины в функции угла поворота приводного вала насоса по отношению к каждому из каналов насоса в соответствии с выражением (2). Выражение (2) является результатом математического преобразования формулы (1) и получается в результате деления последней на величину произведения (ωi_ccη_ог) с учетом того, что
δ = εQ/ω,
а корректирующий расход Q_к представляет собой произведение величины мгновенного характерного объема q_гм(ϕ) гидромашины на величину текущего значения угловой скорости вращения ω_гм ее приводного вала и объемный КПД η_о.г гидромашины.

Q_к= q_гм(ϕ)ω_гмη_о.г,
и величина ω_гм текущей угловой скорости вращения приводного вала гидромашины связана с текущим значением ω угловой скорости вращения приводного вала насоса соотношением
ω_гм= ωi_c.c.
Таким образом, при выборе величины мгновенного характерного объема гидромашины в соответствии с выражением (2) автоматически выполняется равенство (1) и величина корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени по модулю формируется равной (с допустимой погрешностью) расчетной величине пульсационной составляющей расхода насоса относительно максимального мгновенного расхода насоса. В результате величина скорректированного расхода жидкости в канале насосной установки получается на уровне расчетного максимального мгновенного расхода насоса при одновременном снижении пульсаций расхода (или их практически полном исключении) и появляется возможность применения способа для объемных насосов с любым количеством рабочих камер.

Реализация изменения величины мгновенного характерного объема гидромашины устройства для компенсации пульсаций расхода насоса в функции угла поворота приводного вала насоса в соответствии с выражением (2) обеспечивается, например, при использовании гидромашины поршневого типа с кулачковым приводом поршней за счет соответствующей профилировки кулачка. Здесь следует отметить, что законы изменения мгновенных расходов жидкости во всасывающем и напорном каналах объемного насоса, обусловленные несовершенством кинематики качающего узла насоса, в функции угла поворота вала насоса, как правило, идентичны и отличаются лишь тем, что сдвинуты по фазе на угол, зависящий от количества рабочих камер насоса и кратности их действия. В силу этого при компенсации посредством предлагаемого устройства пульсаций расхода, обусловленных несовершенством кинематики качающего узла насоса, в напорном канале насоса автоматически обеспечивается компенсация аналогичных пульсаций во всасывающем канале насоса и наоборот.

Выполнение связи регулирующего органа гидромашины с регулирующим органом насоса с обеспечением пропорциональности их перемещений обеспечивает автоматическое согласование текущего диапазона изменения мгновенного характерного объема гидромашины устройства для компенсации пульсаций расхода насоса с текущим диапазоном изменения мгновенного характерного объема регулируемого насоса (с текущим положением регулирующего органа насоса), что позволяет получить одинаково низкий уровень пульсаций скорректированного расхода при любом режиме работы регулируемого насоса и соответственно повышает эффективность применения способа и универсальность устройства. При этом регулирующий орган гидромашины может быть связан с регулирующим органом насоса: кинематически, посредством сельсинов, посредством электрогидравлического устройства.

Выполнение связи приводного вала гидромашины с приводным валом насоса размыкаемой делает возможной эксплуатацию насосной установки без компенсации пульсаций расхода (при разомкнутой связи приводных валов насоса и гидромашины приводной вал последней должен жестко соединяться с неподвижной корпусной деталью для исключения перетекания рабочей жидкости из напорного канала насоса во всасывающий в результате работы гидромашины в режиме гидромотора).

Установка в гидравлических соединениях между входной магистралью гидромашины и всасывающим каналом насоса и выходной магистралью гидромашины и напорным каналом насоса кранов позволяет отключать (при разомкнутой связи приводного вала гидромашины с приводным валом насоса) рабочие камеры гидромашины от каналов насоса, повышая тем самым гидравлическую жесткость соответствующих участков гидросистемы. Указанное техническое решение в совокупности с выполнением связи приводного вала гидромашины с приводным валом насоса размыкаемой делает возможной эксплуатацию насосной установки при вышедшем из строя устройстве для компенсации пульсаций расхода, которое путем размыкания связи приводных валов гидромашины и насоса и перекрытия кранов изолируется от насоса без проведения каких-либо дополнительных монтажных работ.

Таким образом, насосная установка обеспечивает реализацию потребного закона изменения корректирующего расхода жидкости во всех частных случаях исполнения способа и связана с ним единым изобретательским замыслом.

На чертеже представлена схема насосной установки.

Способ компенсации пульсаций расхода объемного насоса включает следующую последовательность операций: корректирование расхода насоса путем формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счет использования энергии внешнего источника периодическим отбором жидкости из канала насоса и направлением ее в канал, при этом жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, а величину корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени формируют с допустимой погрешностью, равной разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса.

Насосная установка для осуществления способа содержит объемный насос 1 с всасывающим и напорным каналами 2, 3, устройство 4 для компенсации пульсаций расхода насоса 1, выполненное в виде гидромашины 5 с входной и выходной магистралями 6, 7, содержащей по крайней мере две рабочие камеры переменного объема, выполненные с возможностью гидравлического соединения попеременно с входной и выходной магистралями 6, 7, приводной вал 8 которой снабжен синхронизирующей связью 9, имеющей постоянное передаточное отношение (выполненной, например, в виде зубчатой передачи), с приводным валом 10 насоса 1.

Регулирующий орган 11 гидромашины 5 кинематически связан с регулирующим органом 12 насоса 1 посредством рычага 13 с обеспечением пропорциональности перемещения регулирующего органа 11 гидромашины 5 перемещению регулирующего органа 12 насоса 1. Регулирующий орган 11 гидромашины 5 может быть связан с регулирующим органом 12 насоса 1 также посредством сельсинов или электрогидравлического устройства (не показано).

Величина мгновенного характерного объема гидромашины 5 по отношению к каждому из каналов 2, 3 насоса 1 для каждого из углов поворота приводного вала 10 насоса 1 и для всех возможных положений регулирующего органа 12 насоса 1 удовлетворяет выражению (2).

Связь приводного вала 8 гидромашины 5 с приводным валом 10 насоса 1 выполнена размыкаемой, например, посредством соединительной муфты, входящей в состав зубчатой синхронизирующей связи 9 (не показано).

В гидравлическом соединении входной магистрали 6 гидромашины 5 с всасывающим каналом 2 насоса 1 установлен кран 14, а в гидравлическом соединении выходной магистрали 7 гидромашины 5 с напорным каналом 3 насоса 1 установлен кран 15.

Способ компенсации пульсаций расхода при работе насосной установки реализуется следующим образом.

При работе насоса 1 на участках от места подключения к всасывающему каналу 2 насоса 1 входной магистрали 6 гидромашины 5 устройства 4 до рабочих камер насоса 1, находящихся в фазе всасывания (не показаны), и от рабочих камер насоса 1, находящихся в фазе нагнетания (не показаны), до места подключения к напорному каналу 3 насоса 1 выходной магистрали 7 гидромашины 5 имеют место подобные пульсации расхода относительно его максимального мгновенного значения, обусловленные несовершенством кинематики качающего узла насоса 1. Синхронно с изменением объема рабочих камер насоса 1 (и соответственно мгновенного характерного объема насоса 1), благодаря наличию синхронизирующей связи 9 между приводным валом 8 гидромашины 5 и приводным валом 10 насоса 1, изменяется объем соответствующих рабочих камер гидромашины 5 (и соответственно мгновенный характерный объем гидромашины 5). Величина мгновенного характерного объема гидромашины 5 по отношению к каждому из каналов 2, 3 насоса 1 для каждого из углов поворота приводного вала 10 насоса 1 и для всех возможных положений регулирующего органа 12 насоса 1 изменяется в соответствии с выражением (2). В силу этого во входном и выходном каналах 6, 7 гидромашины 5 формируется пульсирующий поток жидкости с корректирующим расходом, величина которого по отношению соответственно к всасывающему и напорному каналам 2, 3 насоса 1 в каждый момент времени (при каждом угле поворота приводного вала 10 насоса 1) с допустимой погрешностью равна разности между расчетными величинами максимального и текущего мгновенных расходов насоса 1 в соответствии с формулой (1). В результате на участке всасывающего канала 2 насоса 1 до места присоединения к нему входной магистрали 6 гидромашины 5 устройства 4 (т.е. на входе насосной установки) и на участке напорного канала 3 насоса 1 после места присоединения к нему выходного канала 7 гидромашины 5 (т.е. на выходе насосной установки) достигается снижение пульсаций расхода жидкости, обусловленных несовершенством кинематики качающего узла насоса 1, до заданного допустимого уровня (возможно практически полное исключение этих пульсаций) при обеспечении величины скорректированного расхода насосной установки на уровне максимального мгновенного расхода насоса 1.

Таким образом, заявляемая группа изобретений обеспечивает снижение пульсаций расхода насосной установки до приемлемого уровня или практически полное их исключение при увеличении расхода насосной установки по сравнению с прототипом до максимального значения, обеспечиваемого параметрами насоса (до уровня максимального мгновенного расхода насоса). Кроме того, при реализации способа предусмотрено автоматическое согласование режима работы устройства для компенсации пульсаций расхода с текущим значением мгновенного характерного объема регулируемого насоса (с текущим положением регулирующего органа насоса), что позволяет получить одинаково низкий уровень пульсаций расхода насосной установки при любом режиме работы регулируемого насоса и соответственно повышает эффективность применения способа и универсальность устройства для его осуществления. Применение изобретений возможно для компенсации пульсаций расхода одновременно во всасывающем и в напорном каналах одно-, двух- и многокамерных регулируемых и нерегулируемых объемных насосов.

Формула изобретения

1. Способ компенсации пульсаций расхода объемного насоса, включающий корректирование расхода насоса путем формирования пульсирующего потока жидкости, создаваемого за счет использования энергии внешнего источника, периодическим отбором жидкости из канала насоса и направлением ее в канал, при этом величину корректирующего расхода жидкости в каждый момент времени принудительно задают как функцию текущих значений угла поворота и угловой скорости вращения приводного вала насоса, отличающийся тем, что жидкость отбирают из всасывающего канала насоса и направляют в напорный канал, а величину корректирующего расхода в каждый момент времени формируют с допустимой погрешностью, равной разности расчетных величин максимального и текущего мгновенных расходов насоса в соответствии с формулой
Q_к= (Q_макс-Q_мг) ± εQ = ω[q_max-q_мг(ϕ)]·η_о.н± εQ,
где Q_к - величина корректирующего расхода жидкости;
Q_макс - расчетная величина максимального мгновенного расхода насоса;
Q_мг - расчетная величина текущего мгновенного расхода насоса;
εQ - максимальное допустимое отличие по абсолютной величине расчетного значения текущего мгновенного расхода скорректированного потока в канале насоса от расчетной величины максимального мгновенного расхода насоса;
ω - текущее значение угловой скорости вращения приводного вала насоса;
q_макс - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального максимального мгновенного расхода насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (максимальный мгновенный характерный объем насоса);
ϕ - текущее значение угла поворота приводного вала насоса;
q_мг(ϕ) - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального мгновенного расхода насоса при текущем значении угла поворота ϕ приводного вала насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (текущий мгновенный характерный объем насоса);
η_о.н - объемный КПД насоса.

2. Насосная установка, содержащая объемный насос с всасывающим и напорным каналами, устройство для компенсации пульсаций расхода насоса, выполненное в виде гидромашины с входной и выходной магистралями, содержащей по крайней мере две рабочие камеры переменного объема, выполненные с возможностью гидравлического соединения попеременно с входной и выходной магистралями, приводной вал которой снабжен синхронизирующей связью с приводным валом насоса, отличающаяся тем, что входная магистраль гидромашины соединена с всасывающим каналом насоса, а выходная магистраль - с напорным и мгновенный характерный объем гидромашины для каждого угла поворота приводного вала насоса определяется из выражения
q_гм(ϕ) = {[q_макс-q_мг(ϕ)]η_о.н± δ}/(i_c.cη_o.г),
где ϕ - текущее значение угла поворота приводного вала насоса;
q_гм(ϕ) - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального мгновенного расхода гидромашины при текущем значении угла поворота ϕ приводного вала насоса значению угловой скорости вращения приводного вала гидромашины (мгновенный характерный объем гидромашины);
g_макс - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального максимального мгновенного расхода насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (максимальный мгновенный характерный объем насоса);
q_мг(ϕ) - коэффициент пропорциональности расчетной величины идеального мгновенного расхода насоса при текущем значении угла поворота ϕ приводного вала насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса (текущий мгновенный характерный объем насоса);
η_о.н - объемный КПД насоса;
δ - коэффициент пропорциональности максимально допустимого отличия по абсолютной величине расчетного значения текущего мгновенного расхода скорректированного потока в канале насоса от расчетной величины максимального мгновенного расхода насоса значению угловой скорости вращения приводного вала насоса;
i_с.с - передаточное отношение синхронизирующей связи, представляющее собой отношение угловой скорости вращения приводного вала гидромашины к угловой скорости вращения приводного вала насоса;
η_о.г - объемный КПД гидромашины.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса с обеспечением пропорциональности их перемещений.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что регулирующий2 орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса кинематически.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что регулирующий, орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса посредством сельсинов.

6. Установка по п.3, отличающаяся тем, что регулирующий орган гидромашины связан с регулирующим органом насоса посредством электрогидравлического устройства.

7. Установка по пп.2 - 6, отличающаяся тем, что связь приводного вала гидромашины с приводным валом насоса выполнена размыкаемой.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что в гидравлических соединениях между входной магистралью гидромашины и всасывающим каналом насоса и выходной магистралью гидромашины и напорным каналом насоса установлены краны.

РИСУНКИ

Рисунок 1