Устройство для ограничения расхода жидкости

 

Использование: в гидросистемах, в частности в устройствах для предотвращения больших потерь рабочей среды при разрушении трубопроводов. Сущность: в устройстве для ограничения расхода, содержащем корпус 1 с нижним входным 2 и верхним выходным 3 соосными патрубками, полый подвижный соосный поршень 4, расположенный нижней частью в отверстии корпуса 1, сообщенный с входным патрубком 2 и имеющий в верхней части отверстия для прохода рабочей среды. В нижней части поршня 4 на наружной поверхности имеется кольцевой выступ 11, а над отверстием в корпусе имеется прикрепленное к нему кольцо 10, охватывающее с зазором поршень 4, при этом при заданном профиле наружной поверхности поршня D_n(h) профиль отверстия в корпусе D_o(h) вычисляется из решения уравнения, определяющего заданную скорость поднятия поршня ω_n(h) при высоте поднятия. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для предотвращения больших потерь рабочей среды при разрушении трубопроводов (внезапной разгерметизации) и может быть использовано в гидросистемах в качестве пассивного элемента, перекрывающего полностью или частично расход рабочей среды по заданному закону изменения расхода, не допускающему динамических и гидравлических ударов, а также в установках, требующих установления и поддержания аварийного расхода для отвода тепла.

Известны различные устройства, защищающие гидросистемы от больших потерь при их внезапной разгерметизации. Например, гидропривод (а.с. СССР 1188390, F 15 B 20/00, опубл. 1983 г.), содержащий гидравлическое нагружающее устройство и гидроуправляемое устройство блокировки подачи насоса, установленное в линии связи насоса с нагружающим устройством и включающее корпус с размещенным в нем подпружиненным золотником, образующим с корпусом напорную, проточную камеру, и камеру управления золотником, которая сообщена с напорной магистралью насоса, сообщенной через блокирующее устройство с входом нагружающего устройства, выход которого связан со сливной магистралью, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь рабочей жидкости и повышения надежности срабатывания при внезапной разгерметизации гидросистемы, блокирующее устройство выполнено в виде четырехлинейного распределителя с дополнительной камерой управления, сообщенной с выходом нагружающего устройства и образующей в корпусе сливную проточную камеру, при этом основная камера управления сообщена с входом нагружающего устройства, линия ее связи с напорной магистралью насоса снабжена запорным элементом, а выход нагружающего устройства сообщен со сливной магистралью через проточную сливную камеру блокирующего устройства.

Недостатком данной защиты от разгерметизации является то, что при включении наноса требуется взводить устройство блокировки в рабочее состояние при помощи дополнительного устройства (распределителя), которое после взвода переключается в исходную позицию. Указанный недостаток обусловлен тем, что при нормальном состоянии (когда нет давления в системе) пружина отжимает золотник, перекрывающий магистрали, и для отвода золотника в рабочее положение требуется подать при помощи распределителя в камеру управления рабочую жидкость под давлением (от насоса).

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявленным изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является аварийное устройство (а. с. СССР N 1596146, F 15 B 20/00, опубл. 1988 г.), содержащее корпус с входным и выходным штуцерами, расположенный внутри корпуса и сообщающийся с входным штуцером соосный цилиндр с подпружиненным поршнем, на штоке которого закреплен запорный клапан, и расположенный снаружи цилиндра постоянный дроссель. Кроме того, имеется блокировочный цилиндр, в котором перемещается шток, являющийся упором для запорного клапана и не позволяющий закрываться при кратковременном падении давления в выходном штуцере.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и большое гидравлическое сопротивление. Наличие нескольких подвижных элементов и пружин приводит к повышению вероятности отказа устройства из-за заклинивания подвижных частей или поломки пружин.

Кроме того, для работы устройства требуется с помощью дросселирования, осуществляемого посредством использования калиброванных отверстий, создавать большой перепад давления, получая при этом большие гидравлические потери в контуре, включающем данное устройство. Это устройство неприменимо для больших гидросистем, так как не позволяет устанавливать оптимальный режим перекрытия расхода (т.е. задание переменной скорости перекрытия), что необходимо с одной стороны для предотвращения больших потерь рабочей среды, а с другой для недопущения динамических и гидравлических ударов в системе.

Целью изобретения является повышение надежности, снижение гидравлического сопротивления и расширение области применения устройство для ограничения аварийного расхода.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для ограничения расхода включает корпус с входящим и выходящим патрубками, полный подвижный поршень, расположенный нижней частью в отверстии корпуса и сообщающийся с входным патрубком, а в верхней части имеющий на боковой поверхности отверстия для прохода рабочей среды. Кроме того, имеется кольцевая полость, образованная наружной поверхностью в нижней части поршня и кольцевым выступом на ней, отверстием в корпусе и прикрепленным к корпусу кольцом, охватывающем поршень.

Наличие подвижного поршня позволяет перекрывать расход (частично или полностью) при превышении максимально допустимого значения расхода. Имея это значение, размеры поперечного сечения поршня, отверстий в нем можно найти массу поршня, исходя из баланса сил, действующих на поршень в нижнем положении. Поршень начнет подниматься, когда подъемная сила превысит силу тяжести, действующую на поршень ΔP·S > mg где ΔP разность давлений, действующих на поршень снизу и сверху, Па; S площадь поперечного сечения поршня, на которую действует разность давлений, м²; g ускорение свободного падения, м/с²; m масса поршня.

Разность давлений определяется потерей напора при прохождении через поршень где ζ гидравлическое сопротивление; w скорость в отверстиях поршня, м/с; r плотность рабочей среды, кг/м³;
Таким образом для поднятия поршня масса не должна превышать значения

или применительно к расходу рабочей среды через поршень:

где G расход рабочей среды через поршень, кг/с; S₀ суммарная площадь проходного сечения отверстий в поршне, м².

Таким образом масса поршня определяется из формулы:
где Gmax максимально допустимый расход, при котором не происходит поднятия поршня.

Наличие кольцевой полости позволяет регулировать скорость поднятия поршня и устанавливать оптимальный режим перекрытия расхода, не допускающий динамических и гидравлических ударов в системе. Скорость поднятия поршня задается расходом жидкости из кольцевой полости, определяемым величиной зазоров, образованных наружной поверхностью поршня с кольцом (верхний кольцевой зазор) и поверхностью отверстия в корпусе с кольцевым выступом на поршне (нижний кольцевой зазор). Изменяя величину этих зазоров при поднятии поршня путем придания соответствующего профиля поверхности отверстия и наружной поверхности поршня, можно задавать скорость перемещения поршня в зависимости от высоты его поднятия (или от времени).

Найдем выражение для нахождения профиля поверхностей при условии задания аварийного перепада давления на поршне, и функции изменения скорости поднятия поршня в зависимости от высоты поднятия h или времени. Давление в кольцевой камере при поднятии поршня находится из выражения для баланса сил, действующих на поршень:
S_нP_в S_вP_в- S_кP_к mg + ma(h) 0
где S_н, S_в, S_к площади поперечных сечений поверхностей испытывающих давление со стороны соответственно рабочей среды, находящейся под поршнем, рабочей среды, находящейся над поршнем и рабочей среды, находящейся над кольцевым выступом на поршне, м²;
P_н, P_в, P_к давление рабочей среды соответственно под поршнем, над поршнем и в кольцевой камере, Па;
m масса поршня, кг;
g, a(h) ускорения соответственно свободного падения и поршня при подъеме, м/с²;

Скорость поднятия поршня определяется двумя соответствующими, первая из которых обусловлена истечением рабочей среды из кольцевой камеры через верхний кольцевой зазор, а вторая составляющая через нижний кольцевой зазор:
ω_n(h) = ω^d_n(h) + ω^y_n(h)
Исходя из тождественности объемного расхода через щель и в камере найдем соотношение между составляющими скоростями ω^в_n(h), ω^н_n(h) и соответствующими им скоростями через верхний и нижний кольцевой зазоры.

где ω_з, ω_к скорости истечения соответственно в зазоре и камере м/с;
S_з, S_к площади проходного сечения соответственно в зазоре и в камере, м².

Скорости истечения связаны между собой

где ω^d_з(h), ω^y_з(h) скорости истечения соответственно через верхний и нижний зазоры
и определяются из выражения для потери напора:

где S^в_з, S^н_з площади поперечного сечения соответственно верхнего и нижнего зазора;
ζ_в, ζ_н гидравлическое сопротивление через верхний и нижний кольцевые зазоры;
P^r_в, P^r_{н u} давление рабочей среды над кольцевой камерой и под кольцевой камерой, Па.

Учитывая что:

где D₀(h), D_n(h) диаметры соответственно отверстия и поршня в месте образования кольцевых щелей, при поднятии поршня на высоту h, м;
D_к, D_к.в. соответственно внутренний диаметр кольца и наружный диаметр кольцевого выступа, м.

Найдем выражения для составляющих скорости поднятия поршня:

Таким образом, при условии задания профиля отверстия в корпусе (на наружной поверхности поршня), аварийного перепада давления на поршне и функции скорости движения поршня от времени (а следовательно, и функции скорости движения поршня от высоты его поднятия) профиль наружной поверхности поршня (отверстия в корпусе) находится из решения уравнения:

В устройстве, предназначенном для полного перекрытия расхода, в случае превышения допустимого уровня Gmax, верхняя часть поршня сделана в виде запорного клапана. Устройства, применяемые в гидросистемах, где рабочая среда, например, отводит тепло, полное перекрытие расхода недопустимо, а возможно лишь снижение до уровня аварийного расхода в случае разгерметизации гидросистемы. Для обеспечения аварийного расхода при превышении максимально допустимого перепада на устройстве, нижняя часть подвижного поршня выполнена в виде золотника, образующего с корпусом напорную проточную камеру, через которую протекает рабочая среда, прежде чем попасть в нижний входящий патрубок устройства.

Для установления и поддержания аварийного расхода служит шторка с отверстиями, прикрепленная к корпусу и охватывающая по скользящей посадке верхнюю часть подвижного поршня с отверстиями для прохода теплоносителя. При расходе, не превышающем максимально допустимый (перепад давления на устройстве меньше максимально допустимого), подвижный поршень находится в нижнем положении, проточная камера полностью открыта золотником, а отверстия в шторке накладываются на полное сечение отверстий в поршне, обеспечивая при этом минимальный перепад давления на устройстве.

При снижении давления в выходном патрубке (повышении ΔP на устройстве) и превышении допустимого расхода подвижный поршень поднимается за счет увеличения перепада давления на отверстиях, при этом отверстия в поршне устанавливаются напротив отверстий меньшего диаметра в шторке и одновременно золотник перекрывает проточную камеру до установления в устройстве, вызвавшего срабатывание аварийного перепада давления:
ΔP_ав = ΔP_з + ΔP_отв + ΔPʹ
где ΔP_ав аварийный перепад давления, вызвавший срабатывание устройства;
ΔP_з перепад давления в напорной камере, вызванный поднятием золотника;
ΔP_отв перепад давления при протекании рабочей среды через наложенные отверстия подвижного поршня и шторки;
ΔPʹ перепад давления на других элементах устройства, а также на трубопроводе, соединяющем выход из напорной камеры с входящим патрубком.

Перепад на отверстиях подвижного поршня и наложенных отверстиях шторки устанавливается постоянным и определяется весом подвижного поршня.

При поднятии подвижного поршня и уменьшении площади отверстий в шторке, наложенных на отверстия в подвижном поршне, устанавливается постоянный аварийный расход, который поддерживается за счет изменения перепада давления на золотник, а величина уменьшения аварийного расхода по сравнению с номинальным определяется уменьшением проходного сечения наложенных отверстий.

Перепад давления на золотнике ΔP_з компенсирует изменение общего перепада давления на устройстве ΔP_ав..

Для предотвращения поворота поршня вокруг своей оси, влекущего несоответствие наложения отверстий в шторке на отверстия в подвижном поршне, имеется фиксирующее устройство.

В случае, когда в аварийной ситуации устанавливается максимально допустимый расход, устройство выполняется без шторки.

На рис.1 изображен продольный разрез устройства с полным перекрытием потока при превышении максимально допустимого расхода; на рис.2 изображен продольный разрез устройства, устанавливающий аварийный расход при превышении допустимого перепада давления на устройстве.

Изобретение иллюстрируется на примерах аварийных устройств, расположенных на выходящем патрубке реактора и служащих для предотвращения быстрого опорожнения 1 контура ядерной установки.

Пример 1.

Устройство для полного перекрытия расхода при превышении максимально допустимого значения состоит из корпуса 1, нижнего входящего и верхнего выходящего патрубков 2 и 3, подвижного поршня 4, сообщающегося с входным патрубком, имеющего боковые отверстия 5 и заглушенной верхней части подвижного поршня, выполняющей роль запорного клапана 6.

Для задания скорости перекрытия расхода служит кольцевая полость 7, из которой при поднятии подвижного поршня истекает рабочая среда через дроссельные щели 8 (между кольцом 10 и подвижным поршнем 4) и 9 (между кольцевым выступом 11 на подвижном поршне и отверстием в корпусе 12).

Устройство работает следующим образом.

При превышении максимально допустимого расхода через устройство (например, при разгерметизации трубопроводов после выходного патрубка, возрастает расход через устройство, а следовательно пропорционально квадрату расхода растет гидравлическое сопротивление на отверстиях в подвижном поршне. Возникает сила, достаточная для преодоления силы тяжести, действующей на поршень, и поднятия последнего с последующим перекрытием верхней частью поршня (запорным клапаном) расхода через устройство.2 Для возвращения устройства в исходное состояние необходимо снизить давление со стороны входного патрубка до величины, достаточной для опускания подвижного поршня.

Скорость движения подвижного поршня определяется условием предотвращения больших потерь теплоносителя и недопущением ударных нагрузок на конструкции.

Пример 2.

Устройство, устанавливающее и поддерживающее в аварийных ситуациях расчетный расход, необходимый, например, для снятия остаточного тепловыделения содержит кроме элементов, рассмотренных в примере 1, золотник 13, служащий для перекрытия в аварийной ситуации напорной камеры 14, входящий и выходящий патрубки напорной камеры 15 и 16, шторку 17 с отверстиями 18 и фиксирующий палец 19, предотвращающий поворот подвижного поршня вокруг своей оси.

Устройство работает следующим образом.

При увеличении перепада на устройстве возникает подъемная сила, действующая на подвижный поршень. При его поднятии отверстия в поршне становятся напротив отверстий меньшего диаметра в шторке, что также увеличивает перепад давлений, а следовательно подъемную силу, действующую на поршень. Подъем поршня происходит до тех пор, пока золотник не перекроет напорную камеру, в результате чего возрастает гидравлическое сопротивление и снизится расход, поступающий во входной нижний патрубок устройства. При аварийном расходе, создающем на шторках и подвижном поршне перепад давления, уравновешивающем силу тяжести, действующую на поршень, движение последнего прекратится. Изменение перепада давления на устройстве в этом случае будет компенсироваться изменением перепада давления на золотнике при условии сохранения гидравлического сопротивления на отверстиях шторки, наложенных на отверстия в подвижном поршне.

Формула изобретения

1. Устройство для ограничения расхода жидкости, включающее корпус с нижним входным и верхним выходным соосными патрубками, полый подвижный соосный поршень, нижняя часть которого расположена в отверстии корпуса и сообщена с нижним патрубком, отличающееся тем, что в верхней части боковой поверхности поршня имеются отверстия для прохода рабочей среды в корпусное пространство, в нижней части поршня на наружной поверхности имеется кольцевой выступ, а над отверстием в корпусе имеется прикрепленное к нему кольцо, охватывающее с зазором подвижный поршень, причем при заданном профиле наружной поверхности поршня D_n(h) (профиле отверстия в корпусе D_o (h) профиль отверстия в корпусе D_o(h) (профиль наружной поверхности поршня D_n (h) определяется из решения уравнения:

где h высота поднятия поршня от нижнего положениями, м;
W_h(h) заданная скорость поднятия поршня при высоте поднятия h м/с;
W^d_п(h),W^y_п(h) составляющие скорости поднятия поршня за счет истечения рабочей среды соответственно через верхний и нижний зазоры, м/с;
A(h) заданное ускорение для поршня при высоте поднятия, м/с²;
ρ плотность рабочей среды, кг/м³;
z_в(h),ζ_н(h) гидравлические сопротивления соответственно верхнего и нижнего зазоров при поднятии поршня на высоту h;
P_н(h), P_b(h) давление рабочей среды соответственно под поршнем и над поршнем, Па;
P^r_н(h),P^r_в(h) давление рабочей среды соответственно под кольцевой и над кольцевой камерами, Па;
m масса поршня, кг;
S_н, S_в, S_к площади поперечных сечений поверхности испытывающих давление со стороны соответственно рабочей среды, находящейся под поршнем, рабочей среды, находящейся над поршнем, и рабочей среды, находящейся над кольцевым выступом на поршне, м²;
D_к диаметр отверстия кольца, охватывающего поршень, м;
D_кв наружный диаметр кольцевого выступа на поршне, м;
D_n(h)- наружный диаметр поршня в месте образования верхнего зазора при поднятии поршня на высоту от нижнего положения, м;
D_o(h) диаметр отверстия в корпусе в месте образования нижнего зазора при поднятии поршня на высоту h от нижнего положениям;
g ускорение свободного падения, м/с₂,
а масса поршня выбирается из условия

где ζ гидравлическое сопротивление при прохождении рабочей среды через поршень;
S площадь поперечного сечения поршня, на которую действует перепад давления до и после поршня, м²;
G максимально допустимый расход рабочей среды, кг/с²;
S₀ суммарная площадь проходного сечения отверстий в поршне, м²;
r плотность рабочей среды, кг/м³.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть поршня выполнена в виде запорного клапана.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть поршня выполнена в виде золотника, находящегося в отверстии корпуса и образующего напорную полость, к которой подходят боковые входящий и выходящий патрубки, а верхняя часть поршня с отверстиями для прохода рабочей среды охвачена шторкой с отверстиями, прикрепленной к корпусу устройства таким образом, что в нижнем положении поршня отверстия на шторке не препятствуют ходу рабочей среды, а в верхнем положении поршня отверстия в нем частично перекрыты шторкой, при этом напорная камера частично перекрыта золотником.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2