Газовый регулятор давления

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в пневматических системах различного назначения. Технический результат изобретения - расширение диапазона выходных давлений в сторону его нижних значений. Регулятор имеет корпус 1 с входной 2 и выходной 3 полостями, разделенными первым клапаном 5. Первый чувствительный элемент в виде ступенчатого поршня 6 и второй чувствительный элемент - поршень 10, связанные с вторым 15 и третьим 19 клапанами, обуславливают реакцию на выходное давление и путем заполнения-опоражнивания полостей обеспечивают коррекцию выходного давления и точное регулирование. Соотношение конструктивных параметров дает возможность получить минимально возможное выходное давление, а по формуле можно определить его величину. Технический результат изобретения достигается использованием при проектировании указанных соотношений и формулы. 1 ил.

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в пневмосистемах различного назначения.

Известен регулятор давления газа, содержащий корпус с размещенным между входной и выходной полостями первым клапаном, первый чувствительный элемент в виде установленного в корпусе ступенчатого поршня, меньшая ступень которого связана с первым клапаном и образует с большей ступенью и корпусом первую полость, которая сообщена через дроссель с атмосферой. Имеются второй чувствительный элемент в виде поршня, нагруженного пружиной задания, и вторая полость, которая сообщена с выходной полостью и через второй клапан с первой полостью. Причем поршень размещен во втулке, установленной в корпусе между поршнем и большей ступенью ступенчатого поршня и снабженной седлом второго клапана, который размещен в поршне, вторая полость образована поршнем и втулкой, в которой выполнено седло третьего клапана, размещенного во втулке, которая образует с большей ступенью ступенчатого поршня третью полость. При этом вторая и третья полости сообщены через третий клапан, а в исходном положении втулка контактно связана с поршнем и большой ступенью ступенчатого поршня, третий клапан отжат от своего седла поршнем, а соединение третьего клапана со своим седлом в положении их контакта выполнено с гарантированной негерметичностью.

Перечисленные выше существенные признаки прототипа обеспечивают повышенную точность регулятора, но имеется неопределенность нижнего значения выходного давления, а вместе с тем и установления диапазона выходных давлений.

Технический результат изобретения - расширение диапазона выходных давлений в сторону нижних значений путем предложения соотношений конструктивных параметров регулятора, обуславливающих получение минимальных выходных давлений, и формулы, определяющей само значение минимального выходного давления, т. е. совокупность признаков по первому пункту формулы дополнена следующими новыми существенными признаками. Имеются соотношения ≥ 1,, где Δ F - эффективная кольцевая площадь ступенчатого поршня, воспринимающая давление в третьей полости; F_в - эффективная площадь втулки, ≥ 1,, где h_и - отжатие первого клапана в исходном положении; h_кр - критическое (минимально допустимое) отжатие первого клапана, при котором с учетом сопротивления выходной магистрали устанавливается критическое выходное давление Р_кр, достаточное воздействием на площадь Δ F для поддер- жания h_кр, и (T_кр+ KX) ≥ 1,, где Т_н и Т_кр - усилия на первом клапане соответственно в расходном регулируемом режиме и при отжатии клапана на величину h_кр; К - жесткость пружины задания; Х - суммарное сжатие пружины задания при перемещении втулки от положения, соответствующего h_кр, до упора в корпус и второго чувствительного элемента из положения упора во втулку до положения, соответствующего началу перемещения второго клапана; F₂ - площадь второго чувствительного элемента, причем меньшие значения соотношений соответствуют меньшим значениям выходного давления, а само минимальное значение выходного давления Р_н.мин определяется по формуле P_н.мин= ..

Вывод соотношений параметров и формулы минимального выходного давления.

Силы трения при выводе не выделяются. Предполагается их учет с соответствующими знаками как составляющих рассматриваемых сил.

Условимся, что процесс выхода регулятора из исходного положения на режим регулирования с выходным давлением настройки Р_н осуществляется при сопротивлении выходной магистрали (например, при установке расходной шайбы), обеспечивающем максимально допустимый расход газа.

Технический результат изобретения - расширение диапазона выходных давлений в сторону его нижних значений.

В исходном положении регулятора (регулятор настроен, но входное давление не подано) должно быть некоторое минимально необходимое R_ипружины задания, при котором первый клапан может быть отжат на величину h_и при условии на нем Т_и = R_и. Существует некоторое минимально допустимое значение отжатия h_кр(критическое), при котором при подводе выходного давления в выходной полости может быть некоторое минимальное давление Р_кр, способное воздействием на эффективную площадь ступенчатого поршня ΔF удержать ступенчатый поршень, а с ним и первый клапан с его отжатием h_кр. Значение h_кр соответствуют и Т_кр = R_кр. h_кр рассчитывают по известным формулам с учетом расхода газа.

Таким образом, первым условием для осуществления процесса выхода регулятора на режим регулирования является соотношение
≥ 1. (1)
Вторым условием выхода регулятора на режим регулирования с давлением Р_н является силовое воздействие втулки на ступенчатый поршень, по крайней мере, до возрастания давления до значения Р_кр, т.е. P_кр˙ΔF≥P_крF_в или ≥ 1 (2) где F_в - эффективная площадь втулки.

Причем из условий работы регулятора (втулка при Р_н должна переместиться до упора в корпус) должно быть F_в ≥F₂ (3) где F₂ - площадь второго чувствительного элемента.

Дальнейшее перемещение первого клапана на величину
Δh = h_н - h_кр, где h_н - ход клапана, соответствующий давлению Р_н и усилию на клапане Т_н, осуществляется с увеличением усилия на первом клапане на величину ΔТ = Т_н - Т_кр.

Выходное давление при этом увеличивается на величину ΔР = Р_н - Р_кр.

Приняв линейную зависимость Δ Р и Δ Т от Δ h, записывают условие достаточности усилия от добавочного давления ΔP для отжатия первого клапана на величину Δh, т.е. до усилия Т_н:
ΔP˙ΔF≥ΔT,(4)
Так как ΔР = Р_н - Р_кр и P_н= ,, где R_н - усилие пружины задания при P_н;
P_кр= ,то выражение(4) можно записать
- F ≥ ΔT.. (5)
Так как R_н = R_кр + К (Х_в + Х₂), где Х_в - перемещение втулки из положения, соответствующего h_кр, до упора в корпус (в направлении сжатия пружины задания);
Х₂ - перемещение второго чувствительного элемента из положения упора во втулку в положение, соответствующее началу перемещения второго клапана;
R_кр = Т_кр, то при обозначении Х_в + Х₂ = Х, выражение (5) принимает вид
- F ≥ ΔT
или
(T_кр+KX) - T_кр≥ ΔT ..

С учетом Δ Т + Т_кр = Т_н окончательно записывают
(T_кр+KX) ≥ 1. (6)
Соотношение (3) - общее условие для любого диапазона выходных давлений. Соотношения (1), (2) и (6) необходимо учитывать при проектировании, решая задачу расширения диапазона выходных давлений в сторону его низших значений.

Из соотношения (1) следует, что при h_и > h_кр, первый клапан отжат в исходном положении с избытком за счет излишнего усилия пружины задания, что в регулируемом режиме дает R_н и Р_н больше минимально возможного. Знак равенства в соотношении соответствует минимальному Р_н.

Из соотношения (2) следует, что по достижении в выходной и третьей полостях давления Р_кр ступенчатый поршень, имеющий возможность перемещаться без силового воздействия втулки, продолжает при F_в < Δ F испытывать это воздействие, т. е. усилие задающей пружины и Р_н увеличены. Знак равенства в этом соотношении также соответствует минимальному Р_н.

Выражение (4), из которого выведено соотношение (6), имеет в левой части множитель ΔР. Его уменьшению (Р_н = Р_кр + Δ Р) соответствует уменьшение Р_н, и знак равенства в соотношениях (4) и (6) соответствует минимальному Р_н.

Таким образом, меньшие значения соотношений (1), (2) и (6) соответствует большему техническому результату.

Проектирование целесообразно начинать с назначения усилия на первом клапане, исходя из требуемого усилия герметизации, возможно с учетом динамики, определения Δ h_кр и выбора F₂. Далее с учетом соотношений (2), (3) и (6) назначают F_в, ΔF.

Само минимальное значение Р_н.мин определяется следующим образом.

Минимально возможное усилие R_н пружины сжатия
R_н.мин = Т_кр + КХ.

Минимальное давление настройки
P_н.мин= или
P_н.мин= .. (7)
Используя соотношения (1), (2) и (6), можно расширять диапазон выходных давлений регулятора, а по формуле (7) определить минимально возможное давление настройки.

Газовый регулятор давления схематично изображен на чертеже.

Регулятор содержит корпус 1 с входной 2 и выходной 3 полостями, разделенными седлом 4 с первым клапаном 5, первый чувствительный элемент в виде ступенчатого поршня 6, меньшая ступень которого связана через шток 7 с первым клапаном и образует с большей ступенью и корпусом первую полость 8, соединенную через дроссель 9 с атмосферой, второй чувствительный элемент в виде поршня 10, размещенного во втулке 11, образующего с ней вторую полость 12 и нагруженного пружиной 13 задания. Вторая полость 12 сообщена через седло 14 и расположенный в поршне 10 второй клапан 15, через канал 16 в переходнике 17 с первой полостью 8. Втулка 11 образует с большей ступенью поршня 6 третью полость 18, с которой через третий клапан 19 с седлом 20 сообщена вторая полость 12. Каналом 21 вторая полость 12 сообщена с выходной полостью 3. Контакт клапана 19 с седлом 20 выполнен с гарантированной негерметичностью.

Площадь F_в втулки 11 показана условно. Для определения эффективной площади F_в следует учесть площадь переходника 17.

Регулятор работает следующим образом.

В исходном положении втулка 11 поджата к поршню 6 пружиной 13 задания через поршень 10. Первый клапан 5 отжат от седла 4 поршнем 6 через шток 7 в частном случае на величину h_кр. Клапан 19 отжат от седла 20 поршнем 10, а клапан 15 поджат к седлу 14 пружиной с зазором Х₂относительно жесткого упора в поршне 10. Втулка 11 имеет ход Х_в в направлении сжатия пружины 13 задания.

При подаче среды во входную полость 2 и при соответствующих сопротивлении выходной магистрали и отжатия клапана (h_кр) в выходной 3, второй 12 и третьей 18 полостях давление начинает возрастать до некоторой критической величины Р_кр. При этом давлении поршень 6 может при незаполненной первой полости 8 уже без воздействия втулки 11 перемещаться, дополнительно отжимая первый клапан 5. При этом давление в полостях 3, 12 и 18 возрастает до требующегося давления настройки Р_н, при котором втулка 11 и поршень 10 перемещаются на величины Х_в и Х₂соответственно и в зависимости от величины давления Р_н возможно открывание седла 14 и некоторое заполнение первой полости 8.

При исходном отжатии первого клапана 5 на величину h_кр, при соотношениях (1), (2) и (6), равных единице, и при минимальных Х_в и Х₂выходное давление Р_н будет минимально возможным.

В установившихся режимах работы в общем случае выходное давление поддерживается стабильным за счет реакции на выходное давление поршней 6 и 10, возможных подпитки и опораживания первой полости 8 и автоматического перемещения первого клапана 5 при этом. Некоторые изменения выходного давления в установившемся процессе отслеживаются и в третьей полости за счет гарантированной негерметичности уплотнения седла 20 клапаном 19.

Формула изобретения

ГАЗОВЫЙ РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с размещенным между входной и выходной полостями первым клапаном, первый чувствительный элемент в виде установленного в корпусе ступенчатого поршня, меньшая ступень которого связана с первым клапаном и образует с большей ступенью и корпусом первую полость, которая сообщена через дроссель с атмосферой, второй чувствительный элемент в виде поршня, нагруженного пружиной задания, и вторую полость, которая сообщена с выходной полостью и через второй клапан - с первой полостью, причем поршень размещен во втулке, установленной в корпусе между поршнем и большей ступенью ступенчатого поршня и снабженной седлом второго клапана, который размещен в поршне, вторая полость образована поршнем и втулкой, в которой выполнено седло третьего клапана, размещенного во втулке, которая образует с большей ступенью ступенчатого поршня третью полость, при этом вторая и третья полости сообщены через третий клапан, а в исходном положении втулка контактно связана с поршнем и большей ступенью ступенчатого поршня, третий клапан отжат от своего седла поршнем, а соединение третьего клапана со своим седлом в положении их контакта выполнено с гарантированной негерметичностью, отличающийся тем, что конструктивные параметры назначены в соответствии с соотношениями
ΔF / F_в ≥ 1 ,
где ΔF - эффективная площадь ступенчатого поршня, воспринимающая давление в третьей полости;
F_в - эффективная площадь втулки,
h_и / h_кp ≥ 1 ,
где h_и - отжатие первого клапана в исходном положении;
h_кр - критическое (минимально допустимое) отжатие первого клапана, при котором с учетом сопротивления выходной магистрали устанавливается критическое выходное давление P_кр, достаточное воздействием на площадь ΔF для поддержания h_кр;
(T_кр+ KX) ≥ 1,,
где T_н, T_кр - усилия на первом клапане соответственно в расходном регулируемом режиме и при отжатии клапана на величину h_кр;
K - жесткость пружины задания; X - суммарное сжатие пружины задания при перемещении втулки от положения, соответствующего h_кр, до упора в корпус и второго чувствительного элемента из положения упора во втулку до положения, соответствующего началу перемещения второго клапана;
F₂ - площадь второго чувствительного элемента,
причем меньшие значения соотношений соответствуют меньшим значениям выходного давления, а само минимальное значение выходного давления P_нmin определяется по формуле
P_{н min} = (T_кp + K˙X) / F₂ .

РИСУНКИ

Рисунок 1