РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05D16/06 F16K17/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в гидравлических системах для автоматического регулирования давления рабочей среды.

Известен регулятор давления с торообразной мембраной. Он имеет корпус с центральной внутренней частью, входную и выходную полости, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и запорного элемента, связанного со штоком (а.с. N 1674071, кл. G 05 D 16/06, 1991).

В этом регуляторе давление на выходе поддерживается давлением в торе, заполненным сжатым воздухом, а его точность зависит от температур рабочей и окружающей сред, а также от изменения давления в торе при его деформации.

Указанные недостатки устранены в регуляторах давления с подпружиненным чувствительным элементом.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является регулятор давления, содержащий корпус с центральной внутренней частью, входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и запорного элемента, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом, задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента и полость управления (а.с. N 1553958, кл. G 05 D 26/06, 1990).

В этом регуляторе корпус имеет значительное выступание над трубопроводом, что делает его критичным к выбору мест установки, а расположение запорного элемента с седлом со стороны выходной полости снижает точность поддержания давления на выходе за счет сложения погрешностей от действующих в одном направлении переменных составляющих сил от пружины и входного давления.

По входному давлению регулятор охвачен через запорный элемент положительной обратной связью, которая способствует возникновению автоколебаний и тем самым снижает устойчивость работы.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Для достижения технического результата в известном регуляторе, содержащем корпус с центральной внутренней частью, входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и запорного элемента, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом, задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента и полость управления, согласно заявляемому изобретению в центральной части корпуса со стороны выходной полости перфорированным фланцем герметично установлен цилиндрический стакан с внутренним и внешним выступами, а чувствительный элемент выполнен в виде стакана, расположенного на внешнем выступе упомянутого первого стакана с возможностью осевого перемещения и образующего с ним задающую полость, уплотненную эластичной трубкой с гофрами, надетой на боковые поверхности первого и второго стаканов, кроме этого со стороны входной полости установлена разделяющая входную полость и полость управления перегородка, в которой со стороны входной полости расположено седло, выполненное в виде бобышки, выступающая стенка которой выполнена перфорированной и обращена в сторону полости управления.

Бобышка выполнена съемной и герметично установлена на перегородке, часть рабочей поверхности запорного элемента, обращенная к седлу, выполнена конической для обеспечения регулирования малых расходов в пределах рабочего запорного элемента, в корпусе и перфорированном фланце стакана перпендикулярно оси выполнены сквозные каналы.

Такое исполнение позволило разместить все элементы в регуляторе соосно корпусу и обеспечить минимальное выступание регулятора над трубопроводом, что делает его некритичным в выборе мест установки и расширяет область применения.

Применение для уплотнения задающей полости эластичной трубки с гофрами в предлагаемой конструкции обеспечивает высокую надежность чувствительного элемента при сохранении низкого трения.

Расположение седла, а равно и запорного элемента, выполняющего со штоком функции дополнительного чувствительного элемента, со стороны входной полости обеспечивает согласованное действие сил от входного и выходного давлений, действующих на эффективные площади запорного и чувствительного элементов, и позволяет компенсировать переменную составляющую пружины, обусловленную ее жесткостью, противоположно направленной ей переменной составляющей силой, обусловленной изменением входного давления, действующего на эффективную площадь запорного элемента и тем самым повысить точность поддержания давления на выходе.

При таком расположении запорного элемента регулятор охвачен по входному давлению отрицательно-обратной связью, что предотвращает возникновение автоколебаний, то есть повышает устойчивость работы. Выполнение выступающей стенки бобышки перфорированной позволяет исключить действие на эффективную площадь чувствительного элемента динамического давления потока.

Выполнение бобышки съемной позволяет повысить технологичность, а части рабочей поверхности запорного элемента, обращенной к седлу, конической для обеспечения регулирования малых расходов в пределах рабочего хода запорного элемента позволяет предотвратить повышение давления на выходе при закрывании сети после регулятора и повысить надежность герметизации регулирующего органа в закрытом состоянии.

Выполнение каналов в корпусе и перфорированном фланце стакана для соединения задающей полости с атмосферой является наиболее оптимальным вариантом.

На чертеже показан пример выполнения регулятора давления.

Регулятор давления содержит корпус 1, входную 2 и выходную 3 полости, полость управления 4, чувствительный элемент 5, подпружиненный пружиной 6, регулирующий орган, выполненный в виде седла 7 и запорного элемента 8, связанного штоком 9 с чувствительным элементом 5.

В центральной внутренней части корпуса 1 со стороны выходной полости 3 перфорированным фланцем 10 герметично установлен цилиндрический стакан 11 с внутренним и внешним выступами, на последнем из которых с возможностью осевого перемещения расположен чувствительный элемент 5, выполненный в виде стакана, образующего со стаканом 11 задающую полость 12 с расположенной в ней пружиной 6, соединенную с атмосферой каналами 13, выполненными в корпусе 1 и перфорированном фланце 10 перпендикулярно оси корпуса 1. Задающая полость 12 уплотнена эластичной трубкой 14 с гофрами, надетой на боковые поверхности чувствительного элемента 5 и стакана 11.

Входную полость 2 и полость управления 4 разделяет перегородка 15, на которую герметично установлена бобышка 16 с седлом 7 со стороны входной полости и выступающей перфорированной стенкой, обращенной в сторону полости управления 4.

Часть рабочей поверхности запорного элемента 8, обращенная к седлу 7, выполнена конической для обеспечения регулирования малых расходов в пределах рабочего хода запорного элемента.

Регулятор давления работает следующим образом.

Для регулятора характерны два основных режима работы динамический и статический и два переходных, связанных с закрытием и открытием сети на выходе после регулятора.

В динамическом режиме при повышении (понижении) давления во входной 2 и (или) выходной 3 полостях запорный элемент 8 подходит (отходит) к седлу 7 (от седла 7), предотвращая повышение (понижение) и (или) восстанавливая давление на выходе.

При этом выходное давление автоматически поддерживается постоянным в диапазоне изменения входного давления от нижнего до верхнего пределов и изменения выходного давления путем уравновешивания силы пружины 6 с одной стороны и с другой сил от воздействия давления в полости управления 4 на эффективную площадь чувствительного элемента 5 и входного давления на эффективную площадь запорного элемента 8, равную площади сечения штока 9, находящегося в отверстии седла 7, причем постоянная составляющая сила пружины 6, соответствующая нижнему пределу входного давления в динамическом режиме и определяющая величину поддерживаемого давления на выходе, уравновешивается силой от воздействия выходного давления на эффективную площадь чувствительного элемента 5 и постоянной составляющей силой от нижнего предела входного давления на площадь сечения штока 9, а переменная составляющая сила пружины 6, обусловленная ее жесткостью, уравновешивается переменной составляющей силой от воздействия переменной составляющей входного давления на эффективную площадь запорного элемента 8, равную площади сечения штока 9, причем на номинальном расходе обеспечивается соотношение:
Zh (P_вх P₁)S₁,
где Z жесткость пружины;
h рабочий ход пружины в динамическом режиме на номинальном расходе;
P_вх входное давление;
P₁ нижний предел входного давления;
S₁ площадь сечения штока;
или Zh_р (P₂ P₁)S₁,
где H_р полный рабочий ход пружины в динамическом режиме на номинальном расходе;
P₂ верхний предел входного давления,
а поддерживаемое на выходе давление P₃ в динамическом режиме на номинальном расходе определяется выражением:

где F₀ постоянная составляющая сила пружины, соответствующая нижнему пределу входного давления в динамическом режиме на номинальном расходе;
S₃ эффективная площадь чувствительного элемента.

При закрывании сети после регулятора при нижнем пределе входного давления P₁ возрастание выходного давления P₃ от динамического давления P_д потока гасится увеличением объема полости управления 4 за счет перемещения чувствительного элемента 5 и давление на выходе равно

где h_п полный рабочий ход пружины;
S₂ максимальная эффективная площадь запорного элемента (площадь сечения отверстия седла).

При верхнем пределе входного давления, в связи с малым рабочим ходом чувствительного элемента 5 от открытого до закрытого состояния, динамическое давление P_д гасится не полностью и давление P₃ на выходе устанавливается в пределах
.

В целом величина выходного давления после закрытия сети на выходе поддерживается в пределах диапазона:

Предотвращение возможности повышения давления на выходе за счет задержки закрытия регулирующего органа от инерционных факторов осуществляется выполненной на запорном элементе 8 конической поверхностью, которая усиливает действие отрицательно-обратной связи.

При открывании сети после регулятора давление в полости управления 4 падает и сила пружины 6, преодолевая меньшую по величине силу от воздействия входного давления на максимальную эффективную площадь S₂ запорного элемента 8, открывает регулирующий орган, причем надежность открытия гарантируется выбором силовой характеристики пружины 6 из условия:
F₀≥P₂S₂.

Использование: в области машиностроения, в частности в приборах для регулирования давления жидких сред, а также в системе водоснабжения. Сущность изобретения: в центральной внутренней части корпуса регулятора давления со стороны выходной полости установлен цилиндрический стакан, образующий с расположенным на нем подпружиненным чувствительным элементом задающую полость, уплотненную надетой на них эластичной трубкой с гофрами, что позволило разместить все элементы соосно корпусу, а запорный элемент расположен со стороны входной полости и совместно со штоком выполняет функции дополнительного чувствительного элемента с отрицательно-обратной связью по входному давлению. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Регулятор давления, содержащий корпус с центральной внутренней частью, входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и запорного элемента, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом, задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента и полость управления, отличающийся тем, что в центральной внутренней части корпуса со стороны выходной полости перфорированным фланцем герметично установлен цилиндрический стакан с внутренним и внешним выступами, а чувствительный элемент выполнен в виде стакана, расположенного на внешнем выступе упомянутого первого стакана с возможностью осевого перемещения и образующего с ним задающую полость, уплотненную эластичной трубкой с гофрами, надетой на боковые поверхности первого и второго стаканов, кроме этого со стороны входной полости установлена разделяющая входную полость и полость управления перегородка, в которой со стороны входной полости расположено седло, выполненное в виде бобышки, выступающая стенка которой выполнена перфорированной и обращена в сторону полости управления. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что бобышка выполнена съемной и герметично установлена на перегородке. 3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что часть рабочей поверхности запорного элемента, обращенная к седлу, выполнена конической для обеспечения регулирования малых расходов в пределах рабочего хода запорного элемента. 4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что в корпусе и перфорированном фланце стакана перпендикулярно оси выполнены сквозные каналы.