СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР Российский патент 1997 года по МПК F16L51/02 

Изобретение относится к узлам и деталям машин, а также к способам и устройствам, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин и установок. Более конкретно изобретение относится к компенсационным устройствам для трубопроводов. Оно может быть применено в тех областях техники, где осуществляют подачу по трубопроводам жидких сред под давлением, например, в ракетной технике.

Известен сильфонный компенсатор из авт.св. СССР N 156390 от 09.11.62 по МКИ F 06 L. Компенсатор содержит два сильфона меньшего диаметра и один сильфон большего диаметра. Сильфоны расположены соосно. Малые сильфоны расположены на краях устройства, большой сильфон расположен в средней части устройства. Малые сильфоны хотя бы частично расположены во внутренней полости большого сильфона. Компенсатор имеет внутреннюю проставку (плавающую гильзу) и соединительные переходные патрубки. Недостаток конструкции в том, что она плохо воспринимает боковые усилия. Это объясняется наличием тяг, которые неблагоприятно работают при боковых перемещениях соединяемых трубопроводов. Это объясняется также отсутствием в конструкции кожуха. Наличие в конструкции плавающей гильзы неблагоприятно сказывается на надежности устройства при условии его тряски при транспортировках. Это устройство принимаем за аналог предполагаемого изобретения.

Известна система крепления от линейного растяжения и линейного стягивания в трубопроводах из патента ФРГ N 3208516 по МКИ F 16 L 51/02. Приведенное в патентном описании к этому патенту устройство имеет один сильфон, имеются уплотнительные кольца из эластичного материала и имеется трубчатый поршень, установленный с гарантированным зазором в соответствующей гильзе. Данное устройство принимаем в качестве аналога предполагаемого изобретения.

Использование этого устройства на криогенном рабочем теле проблематична, так как в нем полости основной рабочей среды герметизированы, в том числе с помощью эластичных уплотнительных элементов, что не является надежным применительно к жидкому кислороду.

Известен сильфонный компенсатор сжатия из патента США N 3241868 от 19.07.63 по классу 285-228. Компенсатор содержит три соосных цилиндрических сильфона. Из них два сильфона меньшего диаметра, расположенных ближе к краям устройства, и один большего диаметра, расположенный в средней части устройства. Малые сильфоны частично расположены во внутренней полости большого сильфона. Сильфонный компенсатор содержит кожух, внутреннюю и наружную проставки, которые обеспечивают скрепление сильфонов между собой и магистральными трубопроводами и герметизацию соответствующих полостей. Между сильфонами и проставками выполнены герметизированные лимитированные зазоры, внешний конец первого малого сильфона и внутренний конец второго малого сильфона, а также расположенный со стороны второго малого сильфона конец большого сильфона скреплены сваркой с наружной проставкой. А внутренняя проставка скреплена сваркой с внешним концом второго малого сильфона, внутренним концом первого малого сильфона и расположенным со стороны первого малого сильфона концом большого сильфона. Следует отметить, что наружные концы обоих малых сильфонов скреплены с переходниками, которыми компенсатор подстыковывается к магистральным трубопроводам, т. е. скреплены с соответствующими проставками, составными частями которых и являются переходники.

Данное техническое решение выбираем в качестве прототипа предполагаемого изобретения. Причины, препятствующие получению требуемого технического результата, заключаются в том, что конструкция компенсатора предусматривает подвод с внешней стороны к сильфонам рабочей среды, протекающей через компенсатор. В случае, если внутренние полости сильфонов соединены с дренажом, а основная магистраль является магистралью высокого давления, выбранная в этом патенте США схема конструкции не является оптимальной, т.к. сильфоны применительно к ней под наружным давлением работают хуже, чем при нагружении внутренним давлением. Другой причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является потребность больших осевых усилий при необходимости быстрых относительных осевых перемещений стыкуемых с компенсатором трубопроводов. Это объясняется значительным демпфированием осевых перемещений благодаря значительным размерам заполненных рабочей средой полостей и малыми размерами демпфирующих окон. Еще один недостаток конструкции по патенту США является наличие больших газовых пузырей, образующихся во внутренней полости при заполнении компенсатора рабочей средой, а также проблематичность надежной работы компенсатора при наличии значительных боковых усилий.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что сильфонный компенсатор содержит три соосных цилиндрических сильфона, из них два одинаковых меньшего диаметра, расположенных на краях устройства, и один большего диаметра, расположенный в средней части устройства. Хотя бы один малый сильфон, хотя бы частично расположен во внутренней полости большого. Имеются внутренняя и наружная проставки, обеспечивающие скрепление сильфонов между собой и с магистральными трубопроводами. Между проставками и сильфонами гарантированные лимитированные зазоры. Внешний конец первого малого сильфона, внутренний конец второго малого сильфона и расположенный со сторона второго малого сильфона конец большого сильфона скреплены сваркой с наружной проставкой. Внутренняя проставка скреплена сваркой с внешним концом второго малого сильфона, внутренним концом первого малого сильфона и расположенным со стороны первого малого сильфона концом большого сильфона. Внешние концы малых сильфонов скреплены соответственно с внутренней и наружной проставками со стороны переходников этих проставок. Внутренняя проставка в месте внутреннего конца первого малого сильфона содержит приваренное к ней центрирующее кольцо, посаженное с гарантированным лимитированным зазором в наружной проставке, а со стороны второго малого сильфона внутренняя проставка содержит скрепленный с ней сваркой трубчатый поршень, посаженный также с гарантированным лимитированным зазором в наружной проставке. Такая совокупность признаков обеспечивает конструктивное осуществление сильфонного компенсатора при наличии значительных боковых усилий и высоких виброперегрузок, какие имеют место в ракетоносителях на жидких компонентах топлива.

Техническим результатом заявленного изобретения и является возможность его использования в устройствах для ракетоносителей на жидких криогенных компонентах топлива.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состояла в снижении осевых усилий при осевых компенсирующих взаимных перемещениях соединяемых трубопроводов. Это должно обеспечиваться и при значительных боковых усилиях и вибронагрузках на компенсаторе.

В частном варианте центрирующее кольцо внутренней проставки содержит кольцевую выточку, в которую вставлено фторопластовое кольцо, например разрезное кольцо из фторопласта 4.

На внутренней проставке могут быть выполнены отверстия, сообщающие внутреннюю полость большого сильфона с магистралью. Это способствует снижению усилий, препятствующих взаимному осевому перемещению соединяемых компенсатором трубопроводов.

Для условий работы компенсатора на жидком водороде или кислороде в частном варианте между наружной проставкой и трубчатым поршнем может быть установлен эластичный уплотнительный элемент. Это может быть фторопластовое кольцо. Таким образом, решается задача о предотвращении обледенения сильфонов со стороны окружающей среды, благодаря герметизации соответствующей полости.

Также на предотвращение выпадания влаги на сильфонах направлена, предусмотренная изобретением, возможность соединения каналом полости между вторым малым сильфоном и наружной проставкой с полостью избыточного давления. Полость между первым малым сильфоном и наружной проставкой может быть также каналом соединена с полостью избыточного давления. В последней полости содержится газ с уменьшенным содержанием влаги, например, газифицированный азот. Нежелательность выпадания влаги на сильфоне обусловлена возможностью обледенения сильфона и возможностью разрушения сильфонов.

На фиг.1 представлен продольный осевой разрез сильфонного компенсатора. На фиг.2 представлено сечение А-А.

Сильфонный компенсатор содержит два одинаковых малых сильфона 1 и 2 и один большой сильфон 3. Как видно из фиг.1 сильфон 2 частично расположен во внутренней полости большого сильфона 3. Устройство содержит наружную и внутреннюю проставки, с помощью которых скреплены указанные сильфоны с требуемой герметичностью. Наружная проставка состоит из переходника 4, кольцевого днища 5, кожуха 6 и гильзы 7 герметично скрепленных между собой сваркой. Внутренняя проставка состоит из центрирующего кольца 8, стакана 9, трубчатого поршня 10, переходника 11. Эти детали в местах контакта между собой соединены сваркой. В месте 12, где стыкуется стакан 9, трубчатый поршень 10 и переходник 11 выполнено сварное соединение, скрепляющее и герметизирующее стыки этих деталей.

Большой сильфон 3 на своих трубчатых концах 13 и 14 приварен к центрирующему кольцу 8 и кожуху 6 соответственно.

Малый сильфон 1 на своем наружном конце 15 приварен к переходнику 4, а на своем внутреннем конце 16 соединен сваркой со стаканом 9 внутренней проставки. Малый сильфон 2 на своем внутреннем конце 17 соединен сваркой с гильзой 7 наружной проставки, а на своем наружном конце 18 соединен сваркой с трубчатым поршнем 10 внутренней проставки. Переходник 4 скреплен с патрубком 19, имеющим отверстия 20, которые сообщают полости с внешней и внутренней стороны патрубка. На стакане 9 внутренней проставки выполнены отверстия 21, сообщающие внутреннюю полость большого сильфона 22 с магистралью 23. Центрирующее кольцо 8 имеет кольцевую канавку, в которую вставлено разрезное кольцо 24, изготовленное из фторопласта 4. Это кольцо не является уплотнительным. Оно предназначено для уменьшения сил трения в сильфонном компенсаторе при наличии значительных боковых усилий, воспринимаемых устройством.

Гильза 7 имеет цилиндроконическую канавку, в которую вставлено фторопластовое кольцо 25. Это кольцо поджимается антифрикционным кольцом 26, закрепленным на гильзе 7 с помощью крепежных деталей (не показанных на чертеже).

Сильфонный компенсатор содержит штуцера 27 и 28, скрепленные сваркой с гильзой 7 и кольцевым днищем 5 соответственно. Через каналы 29, 30, 31, 32 полость 33 между первым малым сильфоном 1 и наружной проставкой, а также полость 34 между вторым малым сильфоном 2 и наружной проставкой соответственно подсоединены к полости избыточного давления газа с пониженным содержанием влаги (на чертежах не показано), например, газифицированного азота, имеющегося на техническом объекте, в котором установлен компенсатор (эта полость на чертежах не показана за ненадобностью. В качестве таких полостей может быть баллон высокого давления, выходная полость компрессора и т.п.). Штуцера 27 и 28 могут быть выполнены и заглушенными.

Материалы деталей, кроме специально выше оговоренных нержавеющие стали.

Наружная проставка (сваренная из деталей 4, 5, 6, 7) и внутренняя проставка (сваренная из деталей 8, 9, 10, 11) могут быть выполнены и по-иному, например, детали 4, 5, 6 или детали 8, 9, 10, 11 могут быть выполнены с непринципиальными конструктивными изменениями из одного целого куска без применения сварки между этими деталями.

Работает рассматриваемый сильфонный компенсатор следующим образом.

Вначале заполняется полость рабочей магистрали 23 жидким кислородом. Заполнение этой полости происходит быстро, т.к. основной тракт прямой. Через отверстие 21 происходит заполнение полости 22 большого сильфона 3. Ввиду малой величины этой полости и малого размера отверстий 21, величина образующегося в полости 22 газового пузыря будет достаточно малой.

При работе сильфонного компенсатора (на техническом объекте) изменяются его осевые размеры, т.е. размеры между соединяемыми компенсатором магистральными трубопроводами или между переходниками 4 и 11. При этом, когда малые сильфоны 2 и 1 сжимаются в осевом направлении, большой сильфон 3 растягивается и наоборот, когда малые сильфоны 1 и 2 растягиваются в осевом направлении, большой сильфон 3 сжимается. Соотношением диаметральных размеров этих сильфонов обеспечивается наименьший заброс или провал давления в магистрали (полость 23) при работе компенсатора.

Следует отметить, что в случае боковых усилий не компенсаторе, наличие колец 24, 25, 26 снижает величину силы трения от этих усилий и обеспечивает возможность восприятия боковых усилий более значительной величины.

Чтобы исключить попадание атмосферной влаги в полости 33 и 34, эти полости через каналы 30 и 32 сообщены с полостью (на чертежах не показана) избыточного давления газа с пониженным содержанием влаги, например, газифицированным азотом. Это предотвращает проникновение атмосферного воздуха в полости 33 и 34 и, как следствие, возможность обледенения и последующего разрушения сильфонов, а кроме того предоставляет возможность работы сильфонов на пониженных перепадах давления. В конечном счете этим обеспечивается увеличение ресурса работы сильфонного компенсатора на криогенной среде.

Использование: строительство трубопроводов. Сущность изобретения: сильфонный компенсатор содержит соединенные проставками два сильфона малого диаметра и один сильфон большого диаметра. Внутренняя проставка снабжена размещенным с гарантированным зазором в наружной проставке центрирующим кольцом и трубчатым поршнем. Центрирующее кольцо имеет кольцевую канавку с размещенным в ней фторопластовым кольцом. Между наружной проставкой и трубчатым поршнем установлен эластичный уплотнительный элемент. Внутренняя полость между первым, вторым сильфонами малого диаметра и наружной проставкой сообщаются с источником избыточного давления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сильфонный компенсатор для жидкостных и газовых магистралей, содержащий внутреннюю и наружную проставки, а также три соосных цилиндрических сильфона, из них два одинаковых малых, меньшего диаметра, сильфона, расположенных со стороны краев устройства, и один большой, большего диаметра, сильфон, скрепленных между собой указанными внутренней и наружной проставками, содержащими переходники для герметичного подсоединения компенсатора к магистрали, причем наружная проставка с требуемой герметичностью скреплена сваркой с внешним относительно компенсатора концом первого малого сильфона, внутренним концом второго малого сильфона и расположенным со стороны второго малого сильфона концом большого сильфона, а внутренняя проставка с требуемой герметичностью скреплена сваркой с внешним концом второго малого сильфона, с внутренним концом первого малого сильфона и расположенным со стороны первого малого сильфона концом большого сильфона, отличающийся тем, что внешние концы малых сильфонов скреплены с проставками со стороны их переходников, внутренняя проставка в месте внутреннего конца первого малого сильфона содержит приваренное к ней центрирующее кольцо, посаженное с гарантированным лимитированным зазором в наружной проставке, а со стороны второго малого сильфона внутренняя проставка содержит скрепленный с ней сваркой трубчатый поршень, посаженный также с гарантированным лимитированным зазором в наружной проставке. 2. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что на центрирующем кольце внутренней проставки выполнена кольцевая проточка, в которую вставлено фторопластовое кольцо, например разрезное кольцо из фторопласта-4. 3. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что между наружной проставкой и трубчатым поршнем установлен эластичный уплотнительный элемент. 4. Компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней проставке выполнены отверстия, сообщающие внутреннюю полость большого сильфона с магистралью. 5. Компенсатор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что полость между вторым малым сильфоном и наружной проставкой соединена каналом с источником избыточного давления. 6. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что полость между первым малым сильфоном и наружной проставкой сообщена каналом с источником избыточного давления.