РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G05D16/06 

Изобретение относится к технике автоматическому регулированию и может быть использовано в системах промышленного и коммунального водоснабжения.

Известен регулятор давления, содержащий корпус с входной и выходной полостями, регулирующий орган, включающий седло и запорный элемент, подпружиненный чувствительный элемент, задающую полость с расположенной в ней пружиной (а.с. N 1553958, МКИ G 05 D 16/06, 1990 г.).

В этом регуляторе точность поддержания давления на выходе снижают две действующие в одном направлении переменные составляющие силы - от входного давления и обусловленные жесткостью пружины.

Также по входному давлению регулятор охвачен через запорный элемент положительной обратной связью, которая способствует снижению устойчивости работы.

Корпус регулятора имеет значительное выступание над трубопроводом, что делает его критичным к выбору мест установки.

Первые два недостатка полностью и последний частично устранены в регуляторе давления, который по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к заявляемому изобретению (з. N 95111994, МПК G 05 D 16/06; F 16 K 17/04, Бюллетень N 9, 1996 г.).

Он содержит корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположены первый стакан с внутренним и внешним выступами, герметично установленный перфорированным фланцам, регулирующий орган, выполненный в виде седла, выполненного в перегородке, и запорного элемента, чувствительный элемент, выполненный в виде второго стакана, который расположен на первом стакане и образует с ним уплотнительную задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента.

В этом регуляторе в статическом режиме (при закрытом регулирующем органе) на запорный элемент, расположенный со стороны входной полости, действует максимальная сила от входного давления и для обеспечения надежного открытия регулирующего органа при переходе в динамический режим при верхнем пределе входного давления наложено ограничение к минимальной величине нижнего значения усилия сжатия пружины на номинальном расходе при нижнем пределе входного давления, что ограничивает минимальную эффективную площадь чувствительного элемента и, как следствие, габариты и массу регулятора даже при минимально допустимом периметре седла, что в свою очередь увеличивает максимальный рабочий ход запорного элемента на номинальном расходе и снижает точность регулирования на расходах, отличающихся от номинального или, при сохранении точности за счет снижения жесткости пружины, увеличивает габариты последней и соответственно габариты и массу регулятора.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, уменьшение габаритов и массы, повышение точности при сохранении устойчивости работы.

Для достижения этой цели в известном регуляторе давления, содержащем корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположены первый стакан с внутренним и внешним выступами, герметично установленный перфорированным фланцем, регулирующий орган, выполненный в виде седла, выполненного в перегородке, и запорного элемента, подпружиненный чувствительный элемент, выполненный в виде второго стакана, расположенного на первом стакане с возможностью осевого перемещения и образующего с ним уплотненную задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента, согласно изобретению первый стакан установлен со стороны входной полости, перегородка установлена и в ней расположено седло со стороны выходной полости, второй стакан расположен на внутреннем выступе первого стакана, причем его боковой поверхностью дна, которая выполнена профилированной, с поверхностями стенок корпуса и перегородки образована кольцевая полость и с поверхностью отверстия перегородки образованы каналы или образован кольцевой канал, его наружная поверхность дна расположена в выходной полости, а запорный элемент выполнен в виде диска, который герметично прикреплен через прокладку к наружной поверхности дна второго стакана.

Кроме этого ниже приведены частные случаи выполнения и использования регулятора.

Для обеспечения дополнительного регулирования в статическом режиме во втором стакане со стороны наружной поверхности дна по оси выполнено глухое отверстие, поверхностями которого и прокладки, выполненной в виде эластичной мембраны, образована компенсирующая камера, при этом в центре диска выполнено дроссельное отверстие, переходящее в коническое со стороны эластичной мембраны, и диск прикреплен винтами, равномерно расположенными на концентрической окружности.

Для упрощения настройки регулятора при производстве и эксплуатации конец пружины чувствительного элемента со стороны первого стакана связан через упорную шайбу с органом настройки, включающим толкатель, выполненный в виде втулки, расположенной с возможностью осевого перемещения на неподвижной оси с цилиндрической головкой и упирающейся одним торцем в упомянутую упорную шайбу, а вторым торцем, выполненным с наклонной поверхностью, в наклонную поверхность клина, который расположен на дне первого стакана, соединен с возможностью перемещения посредством резьбы с винтом настройки, связанным цилиндрической головкой с возможностью вращения с корпусом и перфорированным фланцем первого стакана, и выполнен с пазом для неподвижной оси, цилиндрическая головка которой расположена под клином в центральной выточке для второго стакана.

Боковая поверхность дна второго стакана выполнена в виде трехгранного с цилиндрическими частями при вершинах профиля, гранями которого с поверхностью отверстия перегородки образованы упомянутые каналы.

Со стороны задающей полости в разделяющей ее от компенсирующей камеры стенке второго стакана выполнено седло, нормально закрытый клапан которого подпружинен и связан с эластичной мембраной через шток и соединенный с ним упорный элемент, которые и пружина клапана расположена в компенсирующей камере.

Установка первого стакана со стороны входной полости, а перегородки и расположение в ней седла со стороны выходной полости с расположением наружной поверхности дна второго стакана, расположенного на внутреннем выступе первого стакана, в выходной полости и прикрепление к ней запорного элемента, выполненного в виде диска, позволили полностью исключить воздействие входного давления на запорный элемент и тем самым за счет снятия ограничения с силовой характеристики пружины по обеспечению надежного открытия регулирующего органа уменьшить эффективную площадь чувствительного элемента и в целом габариты и массу регулятора при сохранении точности на номинальном расходе и устойчивости работы путем компенсации переменной составляющей силы пружины, обусловленной ее жесткостью, переменной соответствующей силой от входного давления и охвата регулятора через чувствительный элемент отрицательно обратной связью по входному давлению, действующему в кольцевой полости на разность площадей соответственно сечения окружности чувствительного элемента, сопрягаемой с первым стаканом, и отверстия перегородки, а также повышения точности на расходах, отличающихся от номинального, за счет уменьшения рабочего хода запорного элемента путем увеличения периметра седла до периметра отверстия перегородки, по площади равного эффективной площади чувствительного элемента по выходному давлению.

Компенсирующая камера, образованная глухим отверстием и эластичной мембраной, снижает в статическом режиме возросшее на выходе давление при резком закрытии сети после регулятора за счет уменьшения ее объема и соответственно увеличения объема, находящегося под выходным давлением, за счет деформации эластичной мембраны.

Выполнение боковой поверхности дна второго стакана в виде трехгранного с цилиндрическими частями профиля является одним из оптимальных для достижения поставленной цели.

Связь эластичной мембраны через упорный элемент и шток с подпружиненным нормально закрытым клапаном позволяет повысить точность регулирования в статическом режиме за счет автоматического соединения через клапан компенсирующей камеры с задающей полостью от деформации эластичной мембраны в случае повышения давления на выходе, причем работоспособность регулятора сохраняется при разрушении эластичной мембраны за счет автоматического закрытия подпружиненного клапана в связи с выравниванием давлений по обе стороны от мембраны.

Пример выполнения регулятора давления показан на фиг. 1 - общий вид, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - сечение В-В фиг. 1.

Регулятор давления содержит корпус 1, входную 2 и выходную 3 полости, первый стакан 4 с внутренним и внешним выступами, регулирующий орган, выполненный в виде седла 5, выполненного в перегородке 6, и запорного элемента 7, подпружиненный пружиной 8 чувствительный элемент, выполненный в виде второго стакана 9, уплотненную эластичной трубкой 10 с гофрами, надетой на боковые поверхности первого 4 и второго 9 стаканов, и соединенную с атмосферой задающую полость 11 с размещенной в ней пружиной 8.

Первый стакан 4 герметично установлен перфорированным фланцем 12 со стороны входной полости 2 и на его внутреннем выступе расположен с возможностью осевого перемещения второй стакан 9, а перегородка 6 установлена и в ней расположено седло 5 со стороны выходной полости 3.

Запорный элемент 7 выполнен в виде диска, который герметично прикреплен равномерно расположенными на концентрической окружности винтами через прокладку, выполненную в виде эластичной мембраны 13, к расположенной в выходной полости 3 наружной поверхности дна второго стакана 9, боковая поверхность дна которого выполнена в виде трехгранного с цилиндрическими частями при вершинах профиля, которым с поверхностями стенок корпуса 1 и перегородками 6 образована кольцевая полость 14, а гранями которого с поверхностью отверстия перегородки образованы каналы 15.

Со стороны наружной поверхности дна второго стакана 9 по оси выполнено глухое отверстие, поверхностями которого и эластичной мембраны 13 образована компенсирующая камера 16, а в центре диска выполнено дроссельное отверстие 17, переходящее в коническое со стороны эластичной мембраны 13. Кроме этого эластичная мембрана 13 связана через расположенные в компенсирующей камере 16 упорный элемент 18 и и соединенный с ним шток с подпружиненным через них пружиной 10 нормально закрытым клапаном 20, седло которого выполнено со стороны задающей полости 11 в стенке, разделяющей ее от компенсирующей камеры 16.

Конец пружины 8 со стороны первого стакана 4 связан через упорную шайбу с органом настройки, включающим толкатель 21, выполненный в виде втулки, расположенной с возможностью осевого перемещения на неподвижной оси 22 с цилиндрической головкой и упирающейся одним торцом в упомянутую шайбу, а вторым, выполненным с наклонной поверхностью, в наклонную поверхность клина 23, который расположен на дне первого стакана 4, соединен с возможностью перемещения посредством резьбы с винтом 24 настройки, связанным цилиндрической головкой с возможностью вращения с корпусом 1 и перфорированным фланцем 12 первого стакана 4, и выполнен с пазом для неподвижной оси 22, цилиндрическая головка которой расположена под клином 23 в центральной выточке дна первого стакана 4.

Регулятор давления работает следующим образом. Для регулятора характерны два основных режима работы - динамический и статический.

В динамическом режиме путь потока рабочей среды в регуляторе от входа до выхода включает входную полость 2, отверстия перфорированного фланца 12, кольцевой канал, образованный внутренней поверхностью стенки корпуса 1 с наружными поверхностями первого стакана 4 и эластичной трубки 10, кольцевую полость 14, каналы 15, автоматически регулируемую щель между седлом 5 и запорным элементом 7, выходную полость 3.

При повышении (понижении) входного и(или) выходного давлений запорный элемент 7 подходит (отходит) к седлу 5 (от седла 5), 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 8 с одной стороны и с другой - сил от воздействия выходного давления в выходной полости 3 на эффективную площадь чувствительного элемента, равную площади отверстия перегородки 6 и входного давления в кольцевой полости 14 на эффективную площадь чувствительного элемента, равную разности площадей соответственно сечения окружности чувствительного элемента, сопрягаемой с первым стаканом 4 и отверстия перегородки 6, причем переменная составляющая сила пружины 8, обусловленная ее жесткостью, компенсируется переменной составляющей силой от переменной составляющей входного давления, действующей на упомянутую разность площадей, и на номинальном расходе обеспечивается соотношение:
Zh=(P_вх-P₁)(S₂-S₁),
где
Z - жесткость пружины;
h - рабочий ход пружины на номинальном расходе;
P_вх - входное давление;
P₁ - нижний предел входного давления;
(P_вх-P₁) - переменная составляющая входного давления;
S₂ - площадь сечение окружности чувствительного элемента, сопрягаемой со стаканом;
S₁ - площадь отверстия перегородки (эффективная площадь чувствительного элемента по выходному давлению);
(S₂-S₁) - эффективная площадь чувствительного элемента по входному давлению
или при входном давлении, равном верхнему пределу
Zh_р=(P₂-P₁)(S₂-S₁),
где
h_р - полный рабочий ход пружины на номинальном расходе;
P₂ - верхний предел входного давления,
а постоянная составляющая сила пружины 8, соответствующая нижнему значению усилия сжатия пружины 8 на номинальном расходе при нижнем пределе входного давления и определяющая номинальную величину поддерживаемого на выходе давления, уравновешивается силой от воздействия этого давления на эффективную площадь S₁ чувствительного элемента и постоянной составляющей силой от нижнего предела входного давления, действующего на эффективную площадь (S₂-S₁), т.е.

F₀=P₃S₁+P₁(S₂-S₁),
где
F₀ - нижнее значение усилия сжатия пружины на номинальном расходе при нижнем пределе входного давления;
P₃ - выходное давление,
откуда поддерживаемое на выходе давление P₃ на номинальном расходе в диапазоне изменения входного давления от P₁ до P₂ равно

Точность поддержания выходного давления на расходах, отличающихся от номинального, практически сохраняется за счет малого полного рабочего хода запорного элемента 7 в связи с большим периметром седла 5 и, как следствие, малой величиной площади (S₂-S₁), используемой для компенсации переменной составляющей силы пружины 8, обусловленной ее жесткостью.

При закрытии сети после регулятора давление P₃ на выходе в статическом режиме устанавливается в пределах диапазона

где
h_п - полный рабочий ход пружины;
причем возможное увеличение давления на выходе при резком закрытии сети после регулятора, обусловленное инерционными характеристиками чувствительного элемента, гасится за счет увеличения объема, находящегося под выходным давлением, от деформации эластичной мембраны 13, причем эффект гашения усилен соединением компенсирующей камеры 16 с атмосферой через задающую полость 11 при помощи клапана 20.

В случае разрушения эластичной мембраны 13 работоспособность регулятора сохраняется за счет надежного закрытия клапана 20, обеспечивающего выполнением экстремального условия
F₁>P₂S_с,
где
F₁ - сила предварительного сжатия пружины клапана;
S_с - площадь сечения отверстия седла клапана.

Настройка регулятора на заданное давление производится на номинальном расходе путем создания определенной силы на чувствительный элемент со стороны пружины 8 с помощью винта настройки 24, вращение которого преобразуется в перемещение клина 23, которое в свою очередь преобразуется в перпендикулярное ему осевое перемещение толкателя 21, связанного через упорную шайбу с концом пружины 8.

При таком исполнении регулятора его габариты и массу определяют не силовая характеристика пружины, а возможности обеспечения конструкцией необходимых проходных сечений под заданные характеристики и при одинаковых технических характеристиках уменьшение выступания над трубопроводом и массы, например, для регуляторов коммунального водоснабжения составляют соответственно не менее, %: 35 и 60 при сохранении точности на номинальном расходе и устойчивости работы и повышении точности на расходах, отличающихся от номинального.

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может использоваться в системах водоснабжения. Техническим результатом является уменьшение габаритов и массы, повышение точности. Регулятор давления содержит корпус, входную и выходную полости, между которыми расположены регулирующий орган в виде седла и запорного элемента, стакан, установленный со стороны входной полости и образующий задающую полость с сопрягаемым подпружиненным чувствительным элементом, рабочая поверхность которого выведена через отверстие перегородки с седлом в выходную полость и к ней прикреплен запорный элемент в виде диска. Результат достигается путем обеспечения действия входного давления на одну и ту же малую постоянную площадь чувствительного элемента, используемую для компенсации погрешности, обусловленной жесткостью пружины, и повышения устойчивости в работе, а также уменьшения рабочего хода запорного элемента за счет увеличения периметра седла до периметра эффективной окружности чувствительного элемента по выходному давлению. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулятор давления, содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми в центральной внутренней части корпуса расположены герметично установленный относительно корпуса перфорированным фланцем первый стакан с внутренним и внешним выступами, регулирующий орган, выполненный в виде седла, выполненного в перегородке, и запорного элемента, подпружиненный чувствительный элемент, выполненный в виде второго стакана, расположенного на первом стакане с возможностью осевого перемещения и образующего с ним уплотненную задающую полость с расположенной в ней пружиной чувствительного элемента, отличающийся тем, что первый стакан установлен со стороны входной полости, перегородка установлена и в ней расположено седло со стороны выходной полости, второй стакан расположен на внутреннем выступе первого стакана, причем его боковой поверхностью дна, которая выполнена профилированной, с поверхностями стенок корпуса и перегородки образована кольцевая полость и с поверхностью отверстия перегородки образованы каналы, наружная поверхность дна второго стакана расположена в выходной полости, а запорный элемент выполнен в виде диска, который герметично прикреплен через прокладку к наружной поверхности дна второго стакана. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что во втором стакане со стороны наружной поверхности дна по оси выполнено глухое отверстие, поверхностями которого и прокладки, которая выполнена в виде эластичной мембраны, образована компенсирующая камера, при этом в диске выполнено центральное дроссельное отверстие, переходящее в коническое со стороны эластичной мембраны, и он прикреплен винтами, равномерно расположенными на концентрической окружности. 3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что конец пружины чувствительного элемента со стороны первого стакана связан через упорную шайбу с органом настройки, включающим толкатель, выполненный в виде втулки, расположенной с возможностью осевого перемещения на неподвижной оси с цилиндрической головкой и упирающейся одним торцом в упомянутую упругую шайбу, а вторым торцом, выполненным с наклонной поверхностью, - в наклонную поверхность клина, который расположен на дне первого стакана, соединен с возможностью перемещения посредством резьбы с винтом настройки, связанным цилиндрической головкой с возможностью вращения с корпусом и перфорированным фланцем первого стакана, и выполнен с пазом для неподвижной оси, цилиндрическая головка которой расположена под клином в центральной выточке первого стакана. 4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность дна второго стакана выполнена в виде трехгранного с цилиндрическими частями при вершинах профиля, гранями которого с поверхностью отверстия перегородки образованы упомянутые каналы. 5. Регулятор по п.2, отличающийся тем, что со стороны задающей полости в разделяющей ее от компенсирующей камеры стенке второго стакана выполнено седло, нормально закрытый клапан которого подпружинен и связан с эластичной мембраной через шток и соединенный с ним упорный элемент, которые и пружина клапана расположены в компенсирующей камере.