Регулятор давления

 

Изобретение относится к области энергетики и может быть применено на обратном магистральном трубопроводе тепловой сети с открытым водоразбором. Цель - повышение надежности регулятора для повышения гидравлической устойчивости обратного трубопровода. Регулятор давления содержит корпус 1, являющийся составной частью обратного трубопровода, внутренний корпус 3 с размещенным в нем поршнем, уплотнение между обечайкой 5 поршня и внутренним корпусом в виде резиновой камеры 11, к поршню прикреплен дроссельный клапан, состоящий из усеченного конуса 9 с отверстием 16 в верхнем основании с прикрепленной к нему обечайкой 10. Клапан снабжен байпасом, оканчивающимся дроссельной цилиндрической щелью 17. Для поддержания постоянного давления в камере 11 предусмотрена гидравлическая система, состоящая из дросселей 20, 21, задатчика давления 22. Для поддержания постоянного давления во внутреннем корпусе предусмотрена гидравлическая система, состоящая из дросселя 23 и задатчика 22. 3 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть применено на обратном магистральном трубопроводе тепловой сети с открытым водоразбором.

Известен регулятор давления "до себя", содержащий корпус, регулирующий орган, состоящий из клапана, его штока, прикрепленного к гармониковой мембране, настроечной пружины [1] .

Однако регулятор имеет недостаточную точность регулирования, что обусловлено значительной жесткостью настроечной пружины и гармониковой мембраны. Недостатками также являются вибрация клапана, необходимость индивидуальногоо подбора площади клапана по эффективной площади гармониковой мембраны, а также большой вес, некомпактность, высокая стоимость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является регулятор давления, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, регулирующий орган, выполненный в виде диска, снабженного центральной осью, вокруг которой диск может поворачиваться, гидропривод поршнерычажного типа [2] .

Недостатками этого регулятора являются большой вес и необходимость высокой точности изготовления, что свидетельствует о высокой стоимости изделия, а сложность кинематической схемы, возможные потеря герметичности, заклинивание штока в цилиндре гидропривода снижают надежность.

Цель изобретения - повышение надежности.

В регуляторе давления, содержащем корпус, регулирующий орган, его поршень, снабженный уплотнением, управляющую гидравлическую систему, гидропривод, регулирующий орган выполнен в виде усеченного конуса с отверстием в верхнем основании, обечайки, прикрепленной к нижнему основанию конуса, утоплен в обечайке внутреннего корпуса, обечайка регулирующего органа прикреплена с просветом к поршню внутреннего корпуса, усеченный конус и его обчайка снабжены байпасом, оканчивающимся дроссельной щелью, в полости между обечайками поршня и внутреннего корпуса размещено безпроточное, не имеющее трения уплотнение, в виде резиновой камеры, при этом полости внутреннего корпуса и резиновой камеры соединены с помощью трубок с гидравлической системой поддержания постоянства давления в них с помощью задатчика давления.

Сущность изобретения состоит в том, что гидравлическая разгрузка (отсутствие осевой составляющей перепада давления на клапане усеченном конусе) обеспечивается размещением клапана во внутреннем корпусе. При этом клапан снабжен байпасом, оканчивающимся дроссельной кольцевой щелью. Благодаря этому снижается вибрация клапана и обеспечивается возможность осуществления предлагаемого способа повышения надежности работы тепловых сетей с открытым водоразбором (защита от опорожнения систем отопления верхних этажей, устойчивый перепад давления на вводах в местные системы) за счет повышения гидравлической устойчивости обратного магистрального трубопровода. Сила от перепада давления на клапане в осевом направлении воспринимается внутренним корпусом.

Проток воды через уплотнение поршня, выполненное в виде резиновой камеры, в которой поддерживается заданное постоянное давление, несколько превышающее давление во внутреннем корпусе отсутствует. Это обеспечивает четкую надежную работу гидравлической системы для поддержания постоянства давления во внутреннем корпусе.

Отсутствие трения в уплотнении обеспечивает надежность перестановки поршня (клапана) и высокую точность поддержания давления на заданном уровне.

Система поддержания постоянства давления во внутреннем корпусе независима от давления воды перед регулятором, от гидравлического режима обратного магистрального трубопровода. В установившемся режиме имеет место баланс сил, действующих на поршень, в том числе сила, передаваемая уплотнением, от давления во внутреннем корпусе по направлению против потока воды и противодействующей силы на те же элементы от давления перед регулятором.

Анализ баланса сил также раскрывает сущность изобретения. Баланс сил составлен при следующих условиях: равенства площадей сечений внутреннего корпуса и трубопровода по их внутренним диаметрам; равенства давлений во внутреннем корпусе и в резиновой камере уплотнения (это условие принято для упрощения анализа. результат не зависит от давления в камере); давление во внутреннем корпусе больше, чем давление перед регулятором в трубопроводе.

На поршень действуют две силы: G_п' = Р_п ˙F_п где Р_п - давление внутри корпуса 3; F_п - площадь поперечного сечения поршня по его внешнему диаметру.

G_п'' = (F_вк - F_п) ˙P_п ˙0,5 где F_вк = F_тр - площадь поперечного сечения внутреннего корпуса (или трубопровода) по внутреннему диаметру.

Сила от давления воды в резиновой камере, приложенная к ее криволинейной внешей (по отношению к полости внутреннего корпуса) части уплотнения, равна (F_вк-F_п) Р_п и направлена против потока воды, а место приложения результирующей находится на середине сечения между окружностями с внутренним диаметром внутреннего корпуса и внешним диаметром обечайки поршня. Половина этой силы воспринимается внешней цилиндрической частью резиновой камеры и за счет сцепления ее с неподвижным корпусом гасится (передается на неподвижный корпус), а другая половина этой силы воспринимается внутренней цилиндрической частью камеры и за счет сцепления с обечайкой поршня передается на него. Этим объясняется при определении G_п" величина коэффициента К = 0,5.

G_тр = F_тр ˙Р_тр, где Р_тр - давление перед регулятором.

При балансе Р_п ˙F_п + 0,5 ˙Р_п(F_вк - F_п) = F_тр˙ Р_тр. Раскрывая скобки и упрощая, находим Р_п ( (F_п+F_тр)/2 ) = Р_тр. Откуда Р_п = 2P_тр/(F_п/F_тр)+1 . Анализируя последнюю формулу, обнаруживаем, что при F_п/F_тр→ 1 P_п→ P_тр . Однако с учетом того, что уплотнение имеет конкретные размеры, F_п/F_тр < 1, а Р_п > Р_тр. Условие Р_п > Р_тр является необходимым, так как Р_п- Р_тр = Δ Р обуславливает работу задатчика давления. При Δ Р = 0 предлагаемое изобретение не работоспособно.

На фиг. 1 показан предлагаемый регулятор давления, являющийся составной частью обратного магистрального трубопровода (продольный разрез, гидравлическая система поддержания постоянства давления в полостях резиновой камеры и внутреннего корпуса); на фиг. 2 - задатчик давления в гидравлической системе, выполненный в виде регулятора давления "до себя", продольный разрез; на фиг. 3 - пружинное устройство, предохраняющее полость резиновой камеры от давления выше заданного, продольный разрез.

Возможность осуществления изобретения подтверждается описанием регулятора в статическом состоянии и в работе.

Регулятор давления содержит внешний корпус 1, встроенный в обратный магистральный трубопровод 2 и являющийся составной его частью, внутренний корпус 3, размещенный соосно с внешним и прикрепленный к нему посредством планок 4, внутри корпуса 3 размещен поршень, выполненный в виде обечайки 5, заглушенной посредством днища 6. Обечайка 5 имеет скользящие опоры 7, прикрепленные к внутреннему корпусу. Со стороны входа воды по трубопроводу 2 на обечайку опирается с помощью планок 8 дроссельный клапан, состоящий из усеченного конуса 9 и обечайки 10, прикрепленной к планкам 8 с просветом по отношению к обечайке 5. В полости между обечайками поршня и внутреннего корпуса размещено безпроточное уплотнение, выполненное в виде резиновой камеры 11, средняя внешняя часть которой фиксирована с помощью штырей 12, заделанных с одного конца в резину и входящих в отверстия внутреннего корпуса с другого конца. Полость камеры соединена трубкой 13 с гидравлической системой уплотнения. Полость внутреннего корпуса снабжена воздушником 14, соединена с трубкой 15 с гидравлической системой поддержания постоянного давления. Дроссельный клапан снабжен байпасом, проточная часть которого образована отверстием 16 в верхнем основании усеченного конуса, полостью обечайки 10, просветом между ней и обечайкой 5, кольцевой щелью 17, образованной обечайкой 10 и внутренним корпусом.

Гидравлическая управляющая система регулятора содержит трубки 18, соединяющие прямой магистральный трубопровод с системой, размещенный в обратном трубопроводе охладитель 19 (змеевик), систему уплотнения, состоящую из последовательно установленных дросселей переменного 20, постоянного 21 сечений, задатчика давления 22, являющегося по существу регулятором давления "до себя", при этом участок между дросселями 20 и 21 соединен с полостью резиновой камеры, систему поддержания постоянного давления в полости внутреннего корпуса, состоящую из последовательно установленных дросселя 23 переменного сечения, задатчика давления 22, при этом участок между дросселями 21, 23 и задатчиком 22 соединен с полостью внутреннего корпуса посредством трубки 15, трубку 24, соединяющую гидравлическую систему управления с трубопроводом обратной магистрали до регулятора. Гидравлическая система снабжена предохранительными устройствами 25, 26.

Устройство 25 является байпасом дросселя 20, срабатывает при превышении выше заданного перепада давления на этом дросселе. Устройство 26 является регулятором давления "до себя", срабатывает при неисправности задатчика 22 на более высоком уровне давления со сбросом воды по трубке 27 в обратный трубопровод после регулятора.

Задатчик давления 22 и предохранительное устройство 26 конструктивно выполнены одинаково (см. фиг. 2) и содержат корпус 28, разделенной на камеры: камеру 29, в которой размещены мембрана 30 и узел 31 крепления штока 32 к ней. Верхняя часть камеры 29 (над мембраной) соединена с атмосферой, нижняя часть - с трубкой 33 подвода воды к задатчику (устройству).

Камера 34, которая является камерой гидравлической разгрузки клапана 35, соединена с трубкой 36 выхода воды из задатчика.

Устройство также содержит камеру 37 подвода воды к клапану 35, уплотненного с помощью поршневых колец; камеру 38, выхода воды, в которой размещено седло 39 клапана. Седло представляет собой полый цилиндр с донышками. В верхнем донышке имеется отверстие для прохода воды после клапана, в нижнем донышке - квадратное отверстие, в которое входит шток 40, верхний и нижний концы последнего имеют квадратное поперечное сечение. Шток 40 уплотнен сальником 41. Верхняя внешняя часть цилиндра имеет резьбу, на средней части цилиндра имеются отверстия для выпуска воды. Ответную резьбу имеет перегородка 42, в которую седло ввинчено.

Нижняя часть камеры 29 снабжена воздушником 43. Предохранительное устройство 25 показано на фиг. 3, оно содержит корпус 44, клапан 45, опирающийся с одной стороны на седло 46, с другой - на пружину 47, винт 48, с помощью которого производится настройка на заданный перепад давления.

Работает регулятор давления следующим образом.

Поток сетевой воды при подходе к регулятору разделяется на два: один протекает между корпусом 9 и внешним корпусом 1, при этом поток при необходимости дросселируется, протекает по полости между обечайками внешнего 1 и внутреннего 3 корпусов и покидает регулятор. Другой поток по байпасу дроссельного клапана через отверстие 16, полость обечайки 10, просвет между обечайками 10 и 5, через дроссельную, кольцевую щель 17 поступает в полость между обечайками внутреннего и внешнего корпусов, встречаясь с первым потоком. При этом с помощью байпаса поддерживается постоянное давление у резиновой камеры 11 со стороны щели 17 и обеспечивается минимальный перепад давления на ней, что повышает надежность работы безпроточного уплотнения.

Давление воды в полости внутреннего корпуса 3, а также в камере 11 поддерживается постоянным во всех режимах работы регулятора с помощью гидравлической системы. Вода к гидравлической системе поступает по трубкам 18 из прямого магистрального трубопровода, при этом она охлаждается в змеевике 19, встроенном в обратный трубопровод 2, до температуры ниже 100^оС. Охлаждение необходимо для предотвращения образования двухфазной среды (вода - пар) при дросселировании, иначе перепады давления на дросселях системы будут неопределенными, а работа регулятора - ненадежной. Далее охлажденный поток разделяется на два: один, пройдя последовательно дроссель 20 переменного сечения, дроссель 21 постоянного сечения, задатчик 22 давления. сбрасывается в трубопровод 2. Этот поток с помощью трубки 13 обеспечивает поддержание постоянства давления в резиновой камере 11. Другой поток через дроссель 23 переменного сечения встречается с первым. Этот поток с помощью трубки 15 обеспечивает поддержание постоянства давления во внутреннем корпусе 3.

Задатчик давления 22 работает так. Вода при подходе к нему по трубке 33 разделяется на два потока: один поступает в камеру 37, дросселируется клапаном 35, проходит в седло 39 и покидает задатчик по трубке 36. Другой поток поступает в камеру 29 мембраны 30, дросселируется в кольцевом отверстии между штоком 32 и корпусом 28, проникает в камеру 34 гидравлической разгрузки клапана и затем встречается в трубке 36 с первым потоком.

При изменении давления перед задатчиком мембрана деформирует, она увлекает за собой шток 32 с разгруженным клапаном и в результате изменение давления приостанавливается.

Настраивается задатчик на заданное давление с помощью дросселя 23 и штока 40, на обеих концах которого имеются "квадраты", седла 39, имеющего наружную резьбу, и резьбового отверстия в перегородке 42. Вращая седло с помощью штока и подбирая сечение в дросселе 23, устанавливают необходимое перед задатчиком давление.

Предохранительное устройство 26 срабатывает в случае отказа в работе задатчика 22, работает устройство 26 так же, как задатчик 22, но поддерживает перед собой более высокое наперед заданное давление.

При изменении давления в обратном трубопроводе перед регулятором давления, например при понижении, связанном с увеличением водоразбора из тепловой сети, баланс сил, действующих на поршень и безпроточное уплотнение со стороны внутреннего корпуса, против потока в трубопроводе и со стороны трубопровода по направлению потока, нарушается и поршень (вместе с дроссельным клапаном) будет перемещаться против потока до тех пор, пока не наступит прежний баланс сил. Сопротивление трения в безпроточном уплотнении отсутствует, так как отсутствует скольжение и имеет место сцепление резиновой камеры 11 с обечайкой 5 поршня; сила трения в опорах 7 поршня, определяемая весом подвижных частей, незначительна, например в трубопроводе диаметром 800 мм при изменении давления перед регулятором на 0,1 кгc/см² от заданного возникает располагаемая сила равная 500 кгс, а сила трения в опорах при весе подвижных частей 250 кгс равна 80 кгс. (56) 1. И. В. Марков и В. Р. Сазонов, Автоматизация тепловых сетей, М. . : БТИ ОРГРЭС, 1961, с. 29.

2. О. Н. Шпаков. Затвор дисковый регулирующий с гидроприводом Ду 150, Ру 25 Техническое описание и инструкция по эксплуатации К 99075-15 ОТО, 1984.

Формула изобретения

РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус, регулирующий орган, его поршень, снабженный уплотнением, управляющую гидравлическую систему, гидропривод, отличающийся тем, что регулирующий орган выполнен в виде усеченного конуса с отверстием в верхнем основании, обечайки, прикрепленной к нижнему основанию конуса, утоплен в обечайке внутреннего корпуса, усеченный конус и его обечайка снабжены байпасом, оканчивающимся дроссельной щелью, в полости между обечайками поршня и внутреннего корпуса размещено беспроточное, не имеющее трения в виде резиновой камеры уплотнение, при этом полости внутреннего корпуса и резиновой камеры соединены с помощью трубок с гидравлической системой поддержания постоянства давления в них с помощью задатчика давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2