РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА Российский патент 1998 года по МПК G05D16/06 

Изобретение относится к устройствам для автоматического регулирования давления и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для регулирования давления газа, например, в редукторах баллонных для газопламенной обработки материалов.

Из уровня техники известны регуляторы давления газа, содержащие корпус, полость высокого давления, внутреннюю полость низкого давления в виде центрального канала и пересекающего его выходного канала, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и поджатым к седлу посредством упругого элемента запорным органом, толкатель, расположенный в центральном канале и связывающий запорный орган с чувствительным элементом, взаимодействующим с элементом задания (например, патент США N 5056550, кл. G 05 D 16/06, 1991).

При использовании регуляторов подобной конструкции в устройствах, предназначенных для работы с открытым пламенем, например в устройствах для газопламенной обработки материалов (газовый резак, газовая горелка), где не исключена опасность возгорания горючих газовых компонентов, весьма желательно предусмотреть в конструкции средства, предотвращающие распространение пламени внутрь регулятора или даже в связанную с ним систему высокого давления. Такие средства в описанном регуляторе не предусмотрены.

Известны регуляторы давления газа подобной же конструкции, в которых дополнительно установлены газопроницаемые перегородки, например, в полости высокого давления (Европейский патент N 0491236, кл. G 05 D 16/06, 1992). Такая перегородка выполняет функцию фильтра и позволяет удержать возможные пылевидные примеси в потоке газа на входе в регулятор. Такие фильтры могут быть выполнены либо в виде набивки, как в указанном аналоге, либо в виде сетки или перфорированной пластины (выложенная заявка Германии N 2407555, кл. G 05 D 16/06, 1975), либо в виде пористой стенки (авт.св. СССР N 934453, кл. G 05 D 16/06, 1982). Во всей случаях фильтр помимо своей прямой функции выполняет роль дополнительного демпфера колебаний давления газа на входе в регулятор, поскольку фильтр представляет собой некоторое постоянное аэродинамическое сопротивление потоку газа, своего рода нерегулируемый дроссель, на фильтре возникает некоторый перепад давления, одновременно смягчающий колебания давления на выходе из фильтра, связанные с колебаниями давления на входе в фильтр. Оба указанные полезные свойства фильтра никак, однако не решают задачу перекрытия пути воспламенившемуся газу, поскольку такая задача в упомянутых изобретениях не ставилась.

Известен регулятор давления газа, содержащий корпус, полость высокого давления, внутреннюю полость низкого давления в виде центрального канала и пересекающего его выходного канала, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления, образованный седлом и поджатым к седлу посредством упругого элемента запорным органом, толкатель, расположенный в центральном канале и связывающий запорный орган с чувствительным элементом, взаимодействующим с элементом задания (патент Германии N 2705139, кл. G 05 D 16/06, 1980). В известном регуляторе в полости низкого давления (в выходном канале) установлена газопроницаемая перегородка, выполняющая функцию фильтра. Указанная конструкция может рассматриваться как ближайший аналог изобретения.

В данной конструкции, как и в предыдущих, газопроницаемая перегородка не отвечает требованиям, которым должен был бы отвечать пламегаситель, т.е. задача ограничения возможного возгорания газа в этой конструкции не поставлена и не решена. С другой стороны, установка газопроницаемой перегородки в выходном канале создает в полости низкого давления по существу два отсека, давления в которых различаются по величине (перед фильтром и за фильтром). Поскольку измерительная аппаратура устанавливается по конструктивным условиям, как правило, с выводом из ближней к толкателю зоны полости низкого давления, т.е. из отсека перед фильтром, показания манометра в такой конструкции не отражают истинного давления в выходном канале, т.е. в потребляющем газ устройстве, а это неблагоприятно сказывается на точности и стабильности регулирования давления.

Задача изобретения - обеспечение защиты от воспламеняющего газа посредством использования в регуляторе пламегасительных средств, при одновременном обеспечении точных показаний измерителей давления и эффективного регулирования и стабилизации выходного давления в регуляторе.

Указанная задача решается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем корпус, полость высокого давления, внутреннюю полость низкого давления в виде центрального канала и пересекающего его выходного канала, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и поджатым к седлу посредством упругого элемента запорным органом, толкатель, расположенный в центральном канале и связывающий запорный орган с чувствительным элементом, взаимодействующим с элементом задания, причем в полости низкого давления установлена газопроницаемая перегородка, согласно изобретению газопроницаемая перегородка установлена в центральном канале, замкнута вокруг оси центрального канала и выполнена в виде пламегасителя из пористого материала с размерами пор 2 - 80 мкм, при этом протяженность (глубина) перегородки в направлении оси центрального канала сопоставима с длиной центрального канала.

Кроме того, в качестве газопроницаемой перегородки-пламегасителя может быть использован пористый толкатель, установленный в направляющих поверхностях центрального канала по скользящей посадке.

Кроме того, толкатель может иметь в зоне пересечения центрального канала с выходным каналом кольцевую проточку, по ширине соответствующую диаметру выходного канала.

Кроме того, толкатель со стороны контакта с запорным органом может быть выполнен с участком меньшего диаметра, чем на остальной длине, этот участок входит в отверстие седла по скользящей посадке и имеет со стороны торца осевую прорезь.

Кроме того, перегородка-пламегаситель может быть выполнена в виде втулки, запрессованной в центральный канал и охватывающей толкатель.

Кроме того, эта втулка при закрытом дросселе может упираться торцом в запорный орган.

Кроме того, эта втулка может быть установлена в зоне пересечения центрального канала с выходным, а между ее торцом, дальним от запорного органа, и выходом из центрального канала в последний запрессована дополнительная металлическая втулка.

Кроме того, перегородка-пламегаситель может быть выполнена в виде втулки, запрессованной в выходной канал и перекрывающей центральный канал, при этом во втулке в зоне центрального канала выполнено поперечное отверстие, сквозь которое пропущен толкатель.

Кроме того, перегородка-пламегаситель может быть выполнена из металлокерамики или пенометалла.

Выполнение газопроницаемой перегородки из пористого материала с регламентированным размером пор и со значительной глубиной позволяет придать ей помимо функций фильтра и демпфера еще и важную и отвечающую требованиям ГОСТ Р 50402-92 функцию пламегасителя. При этом то обстоятельство, что перегородка размещается в центральном канале и замкнута вокруг его оси, практически оставляет всю полость низкого давления за перегородкой и позволяет исключить в выходном канале полости низкого давления наличие сообщающихся через перегородку отсеков с разным уровнем давления: давление газа в этом пространстве всюду одинаково. Следовательно, показание манометра отражает фактический уровень давления на выходе регулятора, что позволяет осуществлять точное регулирование и стабилизацию этого давления. Размеры пор перегородки определены в оптимальном диапазоне экспериментально: больший размер пор может ослабить функцию пламегасителя, а меньший размер пор существенно снижает газопроницаемость и чувствительность регулятора. Размер пор соотнесен также с протяженностью перегородки в направлении движения газа. Эта протяженность обеспечивает надежное пламегашение.

Наиболее простым решением в рамках сформулированной выше идеи является использование в качестве перегородки-пламегасителя непосредственно самого толкателя, ось которого всегда совпадает с осью центрального канала и который выполняется в этом случае из пористого газопроницаемого материала, например металлокерамики. То обстоятельство, что толкатель по самой своей функции упирается своим торцом непосредственно в запорный орган, позволяет в этом случае естественным образом максимально приблизить перегородку к этому органу и из регулирующего дросселя направить газ непосредственно через пористый материал. Весь выходной канал оказывается в этом случае в условиях одинакового давления. Предусмотренная на толкателе кольцевая проточка препятствует зашлифовке боковой поверхности толкателя на участке проточки при движении в направляющих поверхностях центрального канала и сохраняет возможность свободного выхода газа через поры толкателя в выходной канал, а также соединяет его без потери давления с каналом, подводящим газ к манометру. Для того, чтобы со стороны входа газа в пористую перегородку обеспечить более развитую поверхность этой перегородки и тем самым ее большую газопроницаемость, толкатель может иметь со стороны торца, которым он опирается на запорный орган, прорезь на некоторую глубину. При этом скользящая посадка толкателя в направляющих поверхностях центрального канала предотвращает проникновение газа в зазор между толкателем и стенками канала, сохраняя в полной мере пламегасящую и другие функции перегородки.

Поскольку при выполнении толкателя из керамического материала при высоком давлении в зоне контакта его с запорным органом и малой площади этого контакта (хотя площадь эта и несколько больше, чем при традиционном исполнении) могут возникать трудности с обеспечением контактной прочности, возможен вариант выполнения пламегасителя (перегородки) в виде втулки, охватывающий толкатель и запрессованный в центральный канал. В этом случае толкатель может быть выполнен традиционно, т.е. металлическим, а развитая входная поверхность перегородки вблизи запорного органа достигается за счет большого диаметра втулки или за счет некоторого отступления торца втулки от седла и выполнения этого торца, например, коническим. Поскольку на участке запрессовки в направляющую поверхность центрального канала керамическая втулка теряет свои газопроводящие функции, она может быть укорочена, а на этом участке может быть установлена дополнительная металлическая втулка, которая выполняет направляющую функцию для толкателя. В одном из вариантов втулка может быть запрессована и в выходной канал, но так, что она пересекает центральный канал, а толкатель в этом случае проходит сквозь поперечное отверстие втулки.

На фиг. 1 показан общий вид регулятора, в поперечном разрезе, в одном из вариантов выполнения (с газопроницаемой втулкой, запрессованной в центральный канал и охватывающей толкатель);
на фиг. 2 - место А на фиг. 1 в варианте выполнения толкателя металлокерамическим, т.е. пористым, газопроницаемым;
на фиг. 3 - место А в варианте выполнения толкателя металлокерамическим с осевой прорезью со стороны торца;
на фиг. 4 - место А в варианте выполнения пламегасителя в виде охватывающей толкатель металлокерамической втулки, упирающейся торцем в запорный орган;
на фиг. 5 - место А в варианте с укороченной втулкой-пламегасителем и с дополнительной металлической втулкой;
на фиг. 6 - место А в варианте выполнения пламегасителя в виде втулки, запрессованной в выходной канал.

Регулятор давления газа содержит корпус 1, полость высокого давления 2, например в подводящем штуцере 3, внутреннюю полость низкого давления в корпусе 1, которую составляет центральный канал 4 и выходной канал 5, расположенный перпендикулярно центральному каналу и соединенный с отводящим штуцером 6; регулирующий дроссель 7, разделяющий полости высокого и низкого давления. Дроссель 7 образован седлом 8 и запорным органом 9, поджатым к седлу посредством упругого элемента (пружины) 10. С запорным органом 9 связан (свободно упирается в него) размещенный в центральном канале 4 толкатель 11, который другим своим концом взаимодействует с чувствительным элементом 12 в виде мембраны, в свою очередь связанным с элементом задания 13 в виде регулирующего узла и тарелки 15 с размещенной между ними пружиной 16. В полости низкого давления регулятора размещена пористая газопроницаемая перегородка 17, которая выполняет функции пламегасителя, а также фильтра и дополнительного дросселя.

Согласно фиг. 2 в качестве перегородки 17 использован толкатель 11, который выполнен с этой целью из газопроницаемой металлокерамики. В отличие от известных конструкций регуляторов, где толкатель установлен в центральном канале с зазором, достаточным для прохождения через этот зазор потока газа, в описываемой конструкции толкатель установлен в центральном канале 4 по скользящей посадке, т. е. практически без зазора, и поток газа идет непосредственно через пористое тело толкателя 11. При этом поверхность контакта торца толкателя 11 с запорным органом 9 за счет исключения бокового зазора может быть увеличена, что благоприятно сказывается на газопроницаемости толкателя, да и на контактных напряжениях в зоне стыка тоже.

С целью дальнейшего увеличения поверхности входа газа в газопроницаемую перегородку (а эта поверхность расположена в непосредственной близости от запорного органа, т.е. в самом начале центрального канала), толкатель 11 может быть выполнен с торцевой прорезью 18, при этом площадь контакта торца толкателя с запорным органом 9 может быть по крайней мере сохранена за счет некоторого увеличения диаметра торца, что также способствует и созданию более развитой входной поверхности толкателя-перегородки (фиг. 3).

На выходе из толкателя-перегородки газ имеет одинаковое давление как в зоне выходного канала 5, так и в той части полости низкого давления, которая связана с измерительным манометром (не показан). В связи с этим показания манометра соответствуют действительному давлению газа на выходе из регулятора, что позволяет эффективно регулировать с помощью элемента задания возможные отклонения этого давления. В этом заключается смысл того, что перегородка должна быть замкнута вокруг оси центрального канала, т.е. должна отделять центральный канал от выходного со всех сторон.

В вариантах фиг. 1 и 4 в качестве газопроницаемой перегородки 17 выступает пористая втулка 19, запрессованная в центральный канал и охватывающая толкатель. Толкатель в этих вариантах выполнен традиционно, т.е. металлическим, а втулка 19 - металлокерамической. Поток газа проходит через втулку как со стороны ее торца, обращенного к запорному органу 9, так и со стороны зазора между втулкой 19 и толкателем 11. При этом давление в тех частях полости низкого давления, которые связаны с отводящим штуцером 6 и с измерительным манометром, сохраняется опять-таки одинаковым. Несколько иной уровень давления имеет место в части 20 полости низкого давления (по варианту фиг. 1), откуда заведомо не отбирается газ для измерительных приборов.

Варианты выполнения конструкции с газопроницаемой втулкой, запрессованной в центральный канал, позволяют полностью исключить проникновение пыли на поверхности скольжения толкателя, а также уменьшить длину этих поверхностей, т.е. поперечный габарит регулятора.

Различие этих вариантов связано с тем, что в одном их них (фиг. 1) входной торец втулки 19 несколько отстоит от запорного органа 9 и выполнен в форме конуса для увеличения поверхности входа, а в другом (фиг. 4) торец втулки 19 упирается непосредственно в запорный орган. Такой контакт несколько компенсирует вынужденное уменьшение диаметра толкателя 11, но в то же время предопределяет увеличение диаметра седла 8, а значит и диаметра запорного органа 9, и входной полости высокого давления 2. Выбор одного из этих вариантов может диктоваться конкретными условиями эксплуатации регулятора.

Поскольку на участке запрессовки дальнего от запорного органа конца втулки 19 в центральный канал газопроницаемость втулки полезно не используется, а лишь вносит неопределенность в пропускную способность регламентированного зазора между толкателем и втулкой, через который как через дроссель центральный канал сообщается с демпфирующей камерой, обычно предусматриваемой в конструкции регулятора, то для исключения этой неопределенности и однозначного направления всего потока газа в нужном направлении, т.е. в выходной канал 5, металлокерамическая втулка 19 в варианте конструкции согласно фиг. 5 выполнена укороченной, а на указанном участке в корпус запрессована дополнительная металлическая втулка, препятствующая проходу газа в демпфирующую камеру, минуя упомянутый регламентированный зазор.

Наконец, в варианте конструкции фиг. 6 металлокерамическая втулка 21 ориентирована осью в направлении не центрального канала, как в предыдущих вариантах, а в направлении канала и запрессована в этот канал, толкатель же проходит сквозь поперечное отверстие 22 во втулке 21.

Все описанные разновидности конструкции регулятора, реализующие общую техническую идею, работают следующим образом.

Вращая маховик регулирующего узла 14, через пружину 16 и тарелку 15 воздействуют на толкатель 11, который, преодолевая усилие пружины 10, отодвигает запорный орган 9 от седла 8, открывая дросселирующий зазор дросселя 7, через который газ из полости высокого давления 2 попадает в центральный канал 4 полости низкого давления, при этом давление газа при дросселировании снижается до заданного уровня. Далее газ входит в газопроницаемую пористую стенку 17, через нее проходит в выходной канал 5 и через отводящий штуцер 6 - к потребителю (например, в газовый резак).

В случае возможного возгорания газа со стороны потребителя пламя распространяется назад к регулятору и по выходному каналу доходит до пламегасителя, т.е. до перегородки 17, которой выходной канал изолирован от центрального канала. Размер пор перегородки 17 и ее протяженность таковы, что пламя не может преодолеть ее и, таким образом, система высокого давления газа надежно ограждена от возможного возгорания.

В штатных ситуациях перегородка 17 выполняет функцию очистительного фильтра. Кроме того, перегородка позволяет повысить степень редукции давления, что расширяет возможности его использования. В этом, наряду с указанной выше функцией пламегашения, и заключается технический результат изобретения.

Использование: в области машиностроения, конкретно в конструкции регуляторов давления газа. Сущность изобретения: в регуляторе давления газа, в котором полости высокого и низкого давления разделены регулирующим дросселем, запорный орган которого взаимодействует с толкателем и через него с чувствительным элементом, согласно изобретению в полости низкого давления установлен пламегаситель или в виде пористой стенки, охватывающей ось толкателя, или в виде пористого толкателя. Предусмотрены различные конструктивные модификации пламегасителя. Техническим результатом является обеспечение защиты от воспламенившегося газа при одновременном обеспечении точных показаний измерителей давления и эффективного регулирования и стабилизации выходного давления в регуляторе. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Регулятор давления газа, содержащий корпус, полость высокого давления, полость низкого давления в виде центрального канала и пересекающего его выходного канала, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и поджатым к седлу посредством упругого элемента запорным органом, толкатель, расположенный в центральном канале и связывающий запорный орган с чувствительным элементом, взаимодействующим с элементом задания, а также газопроницаемую перегородку, установленную в полости низкого давления, отличающийся тем, что газопроницаемая перегородка установлена в центральном канале, замкнута вокруг его оси и отделяет центральный канал от выходного канала со всех сторон, при этом она выполнена в виде пламегасителя из пористого материала и ее протяженность в направлении оси центрального канала сопоставима с длиной центрального канала. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемая перегородка выполнена в виде втулки, запрессованной в центральный канал и охватывающей толкатель. 3. Регулятор по п.2, отличающийся тем, что втулка при закрытом дросселе упирается торцом в запорный орган. 4. Регулятор по п. 2, отличающийся тем, что втулка установлена в зоне пересечения центрального канала с выходным, а между ее торцом, дальним от запорного органа, и выходом из центрального канала в центральный канал запрессована дополнительная металлическая втулка. 5. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемая перегородка выполнена в виде втулки, запресованной в выходной канал и перекрывающей центральный канал, при этом во втулке в зоне центрального канала выполнено поперечное отверстие, сквозь которое пропущен толкатель,
6. Регулятор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что что газопроницаемая перегородка выполнена из металлокерамики. 7. Регулятор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что газопроницаемая перегородка выполнена из пенометалла. 8. Регулятор давления газа, содержащий корпус, полость высокого давления, полость низкого давления в виде центрального канала и пересекающего его выходного канала, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и поджатым к седлу посредством упругого элемента запорным органом, толкатель, расположенный в центральном канале и связывающий запорный орган с чувствительным элементом, взаимодействующим с элементом задания, отличающийся тем, что толкатель выполнен в виде пламегасителя из пористого материала и установлен в направляющих поверхностях центрального канала по скользящей посадке. 9. Регулятор по п.8, отличающийся тем, что толкатель имеет в зоне пересечения центрального канала с выходным каналом кольцевую проточку, по ширине соответствующую диаметру выходного канала. 10. Регулятор по п.8 или 9, отличающийся тем, что толкатель со стороны контакта с запорным органом выполнен с участком меньшего диаметра, чем на остальной длине, этот участок входит в отверстие седла по скользящей посадке и имеет со стороны торца осевую прорезь. 11. Регулятор по любому из пп.8 - 10, отличающийся тем, что толкатель выполнен из металлокерамики. 12. Регулятор по любому из пп.8 - 10, отличающийся тем, что толкатель выполнен из пенометалла.