Регулятор давления газа

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в пневмосистемах различного назначения. Технический результат изобретения - уменьшение по величине и по времени отклонений выходного давления при увеличении отбора газа от регулятора. Регулятор содержит корпус 1 с входной 2 и выходной 3 полостями и первый клапан 4 между ними. Имеется первый чувствительный элемент - ступенчатый поршень 6, воздействующий на первый клапан 4 и в исходном положении контактирующий с подвижной втулкой 12, в которой установлен поршень 10 с вторым клапаном 17. Во втулке установлены третий клапан 12 и обратный клапан 21, второй обратный клапан 26 сообщает полость 7 между ступенями ступенчатого поршня с выходной полостью 3. Технический результат обеспечивается указанными признаками совместно с соотношением параметров конструктивных и газовой среды. 2 з. п. ф-лы, 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, второй чувствительный элемент в виде поршня, нагруженного пружиной задания, и вторая полость, которая сообщена с выходной полостью и через второй клапан с первой полостью, при этом 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, вторая и третья полости сообщены через третий клапан, причем в исходном положении втулка контактно связана с поршнем и большей ступенью ступенчатого поршня, третий клапан отжат от своего седла поршнем, а соединение третьего клапана с его седлом в положении их контакта выполнено с гарантированной негерметичностью [1].

При ступенчатом увеличении расхода газа через регулятор, особенно при переходе из безрасходного режима, когда давление в первой полости почти равно выходному, в режим полного расхода выходное давление может значительно понизиться. Величина понижения выходного давления и время его восстановления зависят от характера опоражнивания первой и третьей полостей. В рассматриваемом регуляторе не имеется технических решений, ограничивающих уменьшение выходного давления при увеличении расхода газа.

Известен регулятор давления газа, имеющий те же существенные признаки, что и рассмотренный выше аналог. Кроме того, в нем за третьим клапаном параллельно установлены дроссель и обратный клапан, обращенный выходом к третьей полости [2].

В этом регуляторе при ступенчатом включении расхода выходное давление резко понижается, поршень перемещает третий клапан, но отток среды через третий клапан и скорость падения давления в третьей полости ограничиваются дросселем.

Это решение способствует получению положительного технического результата, но в ряде случаев недостаточно.

Предлагается техническое решение, при котором уменьшается по величине и по времени отклонение выходного давления при увеличении отбора газа от регулятора.

Суть изобретения в том, что совокупность отмеченных выше существенных признаков, присущих аналогу и прототипу, дополнена группой новых существенных признаков.

Установлен второй обратный клапан, вход которого сообщен с первой полостью, а выход - с выходной полостью, и имеется соотношение параметров, соответствующих состоянию регулятора после ступенчатого увеличения расхода газа, > 1, , где f₁ и f₃ - сечения дросселей, установленных соответственно между первой полостью и атмосферой и между третьей и второй полостями; P₁ и Р₃ - давления соответственно перед сечениями f₁ и f₃; F₁ и F₃ - эффективные площади ступенчатого поршня, на которые действуют давления соответственно в первой и третьей полостях; K₁= , где R - газовая постоянная; Т₁₀ и V₁₀ - начальные температуры газа в первой полости и ее объем; K₃= , где Т₃₀ и V₃₀ - начальные температура газа в третьей полости и ее объем; А₁ и А₃₀ - коэффициенты, учитывающие параметры газовой среды и сечений f₁ и f₃ и определяющие расходы через эти сечения.

Кроме того, имеются формулы, определяющие начальные давления Р₃₀ в третьей полости и Р₁₀ в первой полости после увеличения газа через регулятор: P₃₀= P, , где Р_н - давление в выходной и третьей полостях (давление настройки) до увеличения расхода газа через регулятор; V_з.н. - объем третьей полости до увеличения расхода газа через регулятор, и
P₁₀= P₃₀- , где Т_к - усилие на первом клапане, воспринимаемое ступенчатым поршнем.

Причем перед дросселем, сообщающим первую полость с атмосферой, установлен регулятор давления.

Существенность отличительных признаков изобретения видна из следующего.

Так как при ступенчатом увеличении расхода газа необходимо уменьшение давления в первой полости для отжатия первого клапана, а расход газа в атмосферу через дроссель на выходе полости ограничен, то второй обратный клапан, реагируя на резкое уменьшение давления в выходной полости, сбрасывает из первой полости значительное количество газа до выравнивания давления в ней с давлением в выходной полости.

После указанного предварительного опоражнивания первой полости становится приемлемым уменьшение давления в ней за счет умеренных утечек через дроссель. Так как после уменьшения выходного давления опорожняется через дроссель в выходную полость и третья полость, то необходимо иметь четкое условие, гарантирующее сравнительно быстрое восстановление выходного давления с учетом исходных и измененных объемах полостей, давлений в них, расходов через дросселирующие сечения и т.д. Это условие выражено в формуле изобретения соотношением параметров.

Формулы P₃₀= P и P₁₀= P₃₀- позволяют найти параметры Р₁₀ и Р₃₀ как начальные значения имеющихся в соотношении параметров Р₁ и Р₃.

Установка регулятора давления перед дросселем облегчает задачу ограничения непроизводительного расхода из третьей полости и определения этого расхода для обеспечения имеющегося в формуле соотношения.

Вывод формул и соотношения следующий.

При выводе предположим максимальное ступенчатое увеличение расхода газа от G= 0 до G = G_макс. После увеличения расхода выходное давление от настроечного значения Р_н ступенчато уменьшается до значения Р_вых.0. С учетом работы второго обратного клапана давление Р_вых.0 устанавливается и в первой полости, т.е. в начальный момент после увеличения расхода газа давление Р₁₀ в первой полости равно Р_вых.0.

Можно записать уравнение статических сил
Р_{30 ˙}F₃ - Рв_ых.0(F₁ + F_вых.) - Т_к = 0, (1) где Р₃₀ - давление в третьей полости в начальный момент после ее расширения вследствие перемещения ступенчатого поршня;
F₃ - эффективная площадь ступенчатого поршня, воспринимающая давление в третьей полости;
F₁ - эффективная площадь ступенчатого поршня, воспринимающая давление в первой полости;
F _вых - эффективная площадь ступенчатого поршня, воспринимающая выходное давление;
Т_к - усилие на первом клапане после увеличения расхода, воспринимаемое ступенчатым поршнем.

Приняв процесс при расширении третьей полости политропным и давление в ней до расширения равным Р_н (усилие Т_к клапана полностью замкнутым на седле), записывают
Р_нV_з.нⁿ = Р₃₀ V₃₀ⁿ, где V_з.нⁿ и V₃₀ⁿ - объем третьей полости соответственно до и после ее расширения;
n - показатель политропы, или P₃₀= P.. (2)
Так как F_вых + F₁ = F_з, то с учетом выражения (1) P₃₀˙ F_з-P_вых.0˙F_з = T_к или P_вых.о= P₃₀- ..

С учетом Р_вых.0 = Р₁₀ P₁₀= P₃₀- (3)
Найденные по формулам (2) и (3) параметры входят как частные (начальные) значения в выводимое ниже соотношение и необходимы для расчета опорожнения первой и третьей полостей.

При ступенчатом отборе газа от регулятора выходное давление понижается до Р_вых.0, второй клапан перекрывается, приток газа в первую полость через него прекращается и наряду с оттоком газа из нее в атмосферу будет отток газа из третьей полости через дроссель во втором обратном клапане.

Величина отжатия первого клапана и давление Р_вых.0 некоторое время сохраняются, если поддерживается равенство
Р₃¹F₃ = Р₁¹F₁, (4) где Р₃¹ и Р₁¹ - скорости падения давлений в третьей и первой полостях.

Если равенства (4) нет, то при Р₃^'F₃ > Р₁^'F₁ давление в выходной полости Р_вых уменьшается до некоторой минимальной величины. При Р₃^'F₃ < P₁^'F₁ (5) давление Р_вых увеличивается до давления настройки Р_н, что соответствует меньшему отклонению выходного давления.

На основании закона PV = GRT падение давления в полостях в общем случае можно записать
P_a- P_б= (G_а-G_б) или ΔP = ΔG ,, где P_a, G_a и P_б,G_б - начальные и конечные значения давлений и веса газа в полостях.

Секундные изменения можно записать
ΔPʹ= Pʹ= ΔGʹ . Приняв = K_i записывают для третьей и первой полостей Р= Δ G₃^'₀˙ K₃₀ (6) и P^'₁₀ = ΔG^'₁₀ K₁₀. (7)
Обозначив Δ G^' = g, записывают
g = A ˙f ˙P (см. , например, Дмитриев В.Н., Гроздецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение,1973, с.30) где f - дросселирующее сечение;
Р - давление на входе дросселя;
А - коэффициент, учитывающий параметры газовой среды и расходный коэффициент дросселирующего сечения.

Тогда g₁₀ = f_1˙ P₁₀ ˙A₁₀ и g₃₀ = f₃˙ P₃₀ ˙A₃₀, а равенства (6) и (7) имеют вид P₃₀^' = A₃₀˙ f₃ ˙P₃₀˙ K₃₀ и P₁₀^' = A₁₀ ˙f₁ ˙P₁₀ х хK_10.
Подставив последнее выражение в выражение (5), получают
f_{3 ˙}P_{30 ˙}F₃₀ ˙K₃₀ ˙A₃₀ < f_1˙ P₁₀ ˙F₁₀ ˙K₁₀ ˙A₁₀ или
> 1 . (8)
Параметры в последнем выражении соответствуют началу процесса после ступенчатого увеличения расхода газа через регулятор и обуславливают начало возрастания давления от значения Р_вых.0.

Расход газа из третьей полости из-за падения давления перед сечением f₃, скорость падения давления в ней и поэтому значение всего знаменателя соотношения могут только уменьшаться.

Обеспечение соответствующего значения числителя, имеющего в соотношении (8) начальные параметры, в большинстве случаев в условиях падения давления в первой полости проще всего решается путем стабилизации давления перед сечением f₁. В этом случае для обеспечения соотношения (5) заранее установленный расход через сечение f₁ также стабилизируется. Это достигается установкой малорасходного регулятора давления перед сечением.

Таким образом соотношение (8), обеспечивающее технический результат при начальных значениях параметров, оказывается справедливым и для их текущих значений,
т.е. > 1 ..

При этом некоторыми изменениями температуры газа в полостях в процессе опорожнения и изменением их объемов из-за малых перемещений первого клапана при расчете можно пренебречь и принять К₁ = К₁₀ и К₃ = К₃₀.

Регулятор давления газа схематично изображен на чертеже.

Регулятор содержит корпус 1 с размещенными между входной 2 и выходной 3 полостями первым клапаном 4 и седлом 5, первый чувствительный элемент, выполненный ступенчатым поршнем 6, своей меньшей ступенью связанным с первым клапаном 4 и образующим с большей ступенью и корпусом 1 первую полость 7, сообщенную через регулятор 8 давления и дроссель 9 с атмосферой. Имеется второй чувствительный элемент - поршень 10, нагружаемый пружиной 11 задания и образующий с втулкой 12 вторую полость 13, сообщенную каналом 14 с выходной полостью 3. На втулке 12, образующей с корпусом 1 и большей ступенью ступенчатого поршня 6 третью полость 15, установлено седло 16 для второго клапана 17, через которые вторая полость 13 может по каналу 18 сообщаться с первой полостью 7. Во втулке 12 установлены третий клапан 19 с седлом 20 и первый обратный клапан 21 с седлом 22, через которые и по каналу 23 с дросселью 24 вторая полость 13 может сообщаться с третьей полостью 15. Шток 25 связывает меньшую ступень ступенчатого поршня 6 с первым клапаном 4. Второй обратный клапан 26 обеспечивает по каналам 27 и 28 сброс избыточного давления из первой полости 7 через вторую полость 13 в выходную полость 3.

Третий клапан 19 при посадке на седло 20 обеспечивает негерметичность разобщения третьей 15 полости с второй 13 полостью. Переходник 29 с уплотняющими кольцами допускает перемещения ступенчатого поршня 6 относительно втулки 12.

Ступенчатый поршень 6 подвержен воздействию давления в выходной, первой 7 и третьей 15 полостях. В соответствии с этим применительно к показанному конструктивному варианту имеются эффективные площади: F₁ - разность площадей большей и меньшей ступеней за вычетом площади переходника 29, F₃ - площадь большей ступени за вычетом площади переходника 29, F_вых - площадь меньшей ступени.

Регулятор работает следующим образом.

В исходном положении втулка 12 через поршень 10 поджата пружиной 11 задания к корпусу 1. Первый клапан 4 штоком 25 и ступенчатым поршнем 6 отжат от седла 5. Второй клапан 17 с седлом 16 разобщают вторую 13 и первую 7 полости. Третий клапан 19, контактируя с поршнем 10, отжат от седла 20, а первый 21 и второй 26 обратные клапаны контактируют со своими седлами. Регулятор 8 давления настроен на выходное давление, которое ниже минимального возможного давления в первой полости 7, чем обеспечивается стабилизация расхода через дроссель 9.

При подводе входного давления во входную полость 2, газ через седло 5 заполняет выходную полость 3, по каналу 14 - вторую полость 13 и через седла 20 и 22 и дроссель 24 - третью полость 15.

По достижении некоторого давления в выходной 3 и третьей 15 полостях втулка 12 перемещается до упора в корпус 1, сжимая пружину 11 задания. При перекрытом седле 16 ступенчатый поршень 6 воздействует на первый клапан 4 с усилием, составляющим разницу усилий от давления газа на площади F_вых и F₃.

Когда давление в выходной 3 и второй 13 полостях достигнет требующего давления настройка Р_н, поршень 10 с вторым клапаном 17 перемещается и газ поступает по каналу 18 в первую полость 7. Увеличивающимся давлением в первой полости 7 на площадь F₁ ступенчатый поршень 6 приводится в положение, соответствующее требующей величине отжатия первого клапана 4 от седла 5 и притоку газа в выходную полость 3.

В установившихся процессах регулирования давление в выходной полости 3 поддерживается автоматически за счет реакции поршня 10 на выходное давление и изменении притока газа через седло 16 в первую полость 7, при этом отток среды из первой полости 7 осуществляется через регулятор 8 и дроссель 9.

Заполнение третьей полости при выходе регулятора на режим регулирования с достаточной скоростью осуществляется через отжатый третий клапан 19 и первый обратный клапан 21 с дросселем 24. В установившихся режимах полное разобщение третьей полости 15 с второй полостью 13 исключается за счет гарантированной негерметичности посадки третьего клапана 19 на седло 20, что необходимо, например, при тепловом расширении - сжатии газа в третьей полости 15 или ее перенаполнении в переходных процессах.

При ступенчатом увеличении расхода газа через регулятор, например, при переходе из безрасходного режима в режим максимального расхода выходное давление также ступенчато уменьшается. Для быстрого выхода регулятора на установившийся режим регулирования с выходным давлением Р_нпри меньших отклонениях выходного давления в переходном процессе необходимо меньшее понижение давления в третьей полости 16, которое понижается из-за расширения этой полости при открывании седла 5 и оттока газа через дроссель 24 во вторую полость 13, давление в которой оказывается еще более пониженным. Кроме того, необходимо также быстрое уменьшение давления в первой полости 7 как устранение противодействия открыванию седла 5. Быстрый и значительный сброс давления из первой полости 7 в этом случае осуществляется через второй обратный клапан 26. Для выхода на режим регулирования с давлением Р_н необходимо, чтобы скорость уменьшения усилия на ступенчатый поршень 6 от давления в первой полости 7 была больше, чем скорость уменьшения усилия от давления в третьей полости 15.

Последнему условию соответствует соотношение параметров
> 1 ..

Итак, технический результат изобретения - уменьшение по величине и по времени отклонения выходного давления при увеличении отбора газа от регулятора относительно результата, имеющегося в прототипе, достигается предварительным сбросом давления из первой полости через второй обратный клапан и дальнейшим упорядочением опоражнивания первой и третьей полостей регулятора в соответствии с предлагаемым соотношением параметров. Для определения некоторых из них (Р₁ и Р₃) выведены формулы. При этом чем больше единицы значения соотношения параметров, тем более сокращается время достижения требующегося давления.

Формула изобретения

1. 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, 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 и установленные за ним параллельно дроссель и первый обратный клапан, обращенный выходом к третьей полости, а втулка в исходном положении контактно связана с поршнем и большей ступенью ступенчатого поршня, третий клапан отжат от своего седла поршнем и соединение третьего клапана со своим седлом в положении их контакта выполнено с гарантированной негерметичностью, отличающийся тем, что имеется второй обратный клапан, вход которого сообщен с первой и выход с выходной полостями и имеется соотношение параметров, соответствующих состоянию регуляторов после ступенчатого увеличения расхода газа
> 1,,
где f₁, f₃ - сечение дросселей, установленных соответственно между первой полостью и атмосферой и между третьей и второй полостями;
P₁, P₃ - давления соответственно перед сечениями f₁, f₃;
F₁, F₃ - эффективные площади ступенчатого поршня, на которые воздействуют давления соответственно в первой и третьей полостях;
K₁= ,
где R - газовая постоянная;
T₁₀, V₁₀ - начальные температура газа в первой полости и ее объем;
K₃= ,
где T₃₀, V₃₀ - начальные температура газа в первой полости и ее объем;
A₁, A₃ - коэффициенты, учитывающие параметры газовой среды и сечений f₁, f₃, определяющие расходы через эти сечения.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что выполняются соотношения
P₃₀= P,,
P₁₀= P₃₀- ,,
где P₃₀ и P₁₀ - соответственно начальные давления в третьей и первой полостях после увеличения расхода газа через регулятор;
P_н - давление в выходной и третьей полостях до увеличения расхода через регулятор;
V_зн - объем третьей полости до увеличения расхода через регулятор;
T_к - усилие на первом клапане после увеличения расхода газа через регулятор, воспринимаемое ступенчатым поршнем.

3. Регулятор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед дросселем, сообщающим первую полость с атмосферой, установлен регулятор давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1