Регулятор давления газа Российский патент 2017 года по МПК G05D16/10 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использовано для снижения и регулирования давления газа, поступающего потребителю из магистрали высокого давления, например для регулирования давления природного газа на выходе из газораспределительных станций.

Известны регуляторы давления непрямого действия, в которых в качестве исполнительного устройства применяется запорный клапан, управляемый резиновой мембраной (Газовое оборудование, приборы и арматура - М.: Недра, 1985, стр. 68). Достоинством таких устройств является то, что исполнительный механизм можно разгрузить от воздействия потока и исключить непосредственный контакт рабочей среды с резиновой мембраной. Однако в процессе эксплуатации вследствие механических и термических воздействий резиновая мембрана утрачивает свои прочностные и динамические характеристики, что уменьшает чувствительность исполнительного элемента, надежность и долговечность работы устройства.

Известен регулятор давления (а.с. СССР №1171761, МКИ G05D 16/10, опубл. 07.08.1985 г., бюл. №29), содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми установлен регулирующий орган, связанный с чувствительным элементом, снабженным механизмом управления и подпружиненным штоком, связанным с уравнительным поршнем, установленным в расточке корпуса и образующим с ней полость, соединенную с гидравлическим демпфирующим устройством через элемент разгрузки регулирующего органа по входному давлению. Регулятор дополнительно снабжен кольцевым поршнем, установленным в расточке корпуса коаксиально с уравнительным поршнем.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является регулятор давления газа (патент РФ №2361261, МПК G05D 16/10, опубл. 10.07.2009, бюл. №19), содержащий каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа. Канал входа сообщен с каналом выхода посредством поршневого клапана, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа. Полость управляющего давления сообщена с системой командного давления газа посредством системы демпфирования, которая включает разделительную емкость с газовой и гидравлической полостями и жиклер, при этом газовая полость сообщена с системой командного давления газа, а гидравлическая через жиклер - с полостью управляющего давления. В разделительной емкости газовая и гидравлическая полости разделены посредством сильфона, или мембранной коробки, или вялой мембраны. Устройство обладает недостаточной точностью поддержания выходного давления при малых расходах газа и малым ресурсом вследствие износа клапана и уплотнения седла. Кроме того, при быстрой смене режимных параметров, при внезапном запуске, резком повышении давления, резком изменении расхода газа при малых расходах в регуляторе возникают автоколебания, приводящие к износу пары седло-клапан, так как регулятор содержит упругий элемент (пружину), который способствует возникновению колебательных движений клапана относительно седла, что приводит к пульсациям давления в выходной полости (давления потребителя). Таким образом, при малых расходах в таких системах развиваются автоколебания клапана, что существенно снижает надежность и точность поддержания выходного давления.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении ресурса регулятора и повышении надежности работы и точности поддержания выходного давления при малых расходах газа, снижении шума.

Технический результат достигается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, полость управляющего давления сообщена с системой командного давления газа, канал входа сообщен с каналом выхода посредством поршневого клапана, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа, новым является то, что седло снабжено накидной гайкой с образованием между ними полости, внутри которой установлено съемное уплотнение, фиксируемое накидной гайкой, а на поршневом клапане со стороны входа герметично установлено съемное профилированное кольцо, профиль которого входит в полость между седлом и накидной гайкой и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана.

Съемное уплотнение между седлом и накидной гайкой - деформируемое.

Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет хорошо обтекаемые поверхности.

Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет в начальном участке цилиндрическую часть, переходящую в расширяющуюся часть.

Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, образован комбинированными ступенчато изменяемыми конусными поверхностями с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности.

Накидная гайка со стороны поршневого клапана имеет хорошо обтекаемую поверхность.

На наружной поверхности седла со стороны его контакта с корпусом регулятора имеется уплотнение, а между поршневым клапаном и профилированным кольцом также имеется уплотнение.

На фиг. 1 представлен продольный разрез регулятора давления.

На фиг. 2 представлен продольный разрез узла дросселирования с плавными образующими поверхностей дроссельного канала.

На фиг. 3 представлен продольный разрез узла дросселирования с ступенчато изменяемыми конусными поверхностями дроссельного канала.

На фиг. 4 представлен продольный разрез узла дросселирования с цилиндрической частью дроссельного канала на его начальном участке.

Здесь: 1 - корпус; 2 - седло; 3 - поршневой клапан; 4 - отверстия отбора статического давления; 5 - канал входа газа; 6 - накидная гайка; 7- уплотнение между внутренней поверхностью седла 2 и накидной гайкой 6; 8 - заглушка; 9 - жиклер; 10 - штуцер командного давления; 11 - фильтр; 12 - уплотнительное кольцо на наружной поверхности седла 2 со стороны его контакта с корпусом 1; 13 - канал выхода газа; 14 - профилированное кольцо; 15 - поршень; 16 - разгрузочная полость; 17 - канал передачи управляющего давления; 18 - полость командного давления; 19 - манжета; 20 - полость давления обратной связи; 21 - манжета штока; 22 - крышка; 23 - стакан; 24 - полость компенсации входного давления; 25 - шток; 26 - сквозной осевой канал; 27 - стопорное кольцо; 28 - прокладка; 29 - канал передачи давления обратной связи; 30 - регулирующий поршень; 31 - пружина; 32 - неподвижная втулка; 33 - уплотнение поршня 15; 34 - уплотнительное кольцо между поршневым клапаном 3 и профилированным кольцом 14; 35 - съемное деформируемое уплотнение в полости между седлом 2 и накидной гайкой 6; 36 - штуцер давления обратной связи; 37 -магистраль давления обратной связи; 38 - магистраль командного давления; 39 - поверхность дроссельного канала, образуемая седлом 2; 40 - внешняя поверхность профилированного кольца 14; 41 - внутренняя поверхность профилированного кольца 14; 42 - поверхность дроссельного канала, образуемая накидной гайкой 6.

Регулятор давления содержит каналы входа 5 и выхода 13 газа, корпус 1 с крышкой 22, внутри которого на штоке 25, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршень 15 и поршневой клапан 3 с профилированным кольцом 14, сообщающий каналы входа 5 и выхода 13 газа, при взаимодействии с седлом 2 и регулирующий поршень 30 с образованием соответственно разгрузочной полости 16 и полости командного давления 18, герметично разделенные между собой посредством неподвижной втулки 32. Седло 2 снабжено накидной гайкой 6 с образованием между ними полости, внутри которой установлено деформируемое уплотнение 35, фиксируемое накидной гайкой 6, а на поршневом клапане 3 со стороны входа герметично установлено профилированное кольцо 14 с выступом по периферии. Выступ профилированного кольца 14 входит в полость между седлом 2 и накидной гайкой 6 и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана 3. Поверхность 39 седла 2, поверхность деформируемого уплотнения 35, поверхность 41 накидной гайки 6, поверхности 40 и 41 профилированного кольца 14 (фиг. 2) определяют геометрию дроссельного канала, через который поступает (дросселируется) газ из канала входа 5 в канал выхода 13 при «открытом» регуляторе. Пружина 31, опираясь на неподвижную втулку 32, поджимает поршень 15 и поршневой клапан 3 вместе с профилированным кольцом 14 к легко съемному деформируемому уплотнению 35, что обеспечивает герметичность регулятора давления в «закрытом» положении. На наружной поверхности седла 2 со стороны его контакта с корпусом 1 регулятора установлено уплотнительное кольцо 12, которое обеспечивает герметичность соединения и отделяет канал входа газа 5 от канала выхода 13. Между внутренней поверхностью седла 2 и накидной гайкой 6 установлено уплотнение 7. Между регулирующим поршнем 30 и крышкой 22 в корпусе 1 образована полость давления обратной связи 20. Между регулирующим поршнем 30 и неподвижной втулкой 32 в корпусе 1 образована полость командного давления 18. Между поршнем 15 и неподвижной втулкой 32 в корпусе образована разгрузочная полость 16, сообщенная с каналом входа газа 5. Полость командного давления 18 сообщена с магистралью командного давления 38 посредством канала 17 и штуцера 10. Полость давления обратной связи 20 сообщена с магистралью давления обратной связи 37 посредством канала 29 и штуцера 36. В хвостовой части штока 25 образована полость компенсации входного давления 24, сообщенная с каналом входа газа 5 посредством сквозного осевого канала 26 в штоке 25, соединенного с отверстием отбора статического давления 4.

Регулятор давления работает совместно с системой командного давления газа, в качестве которой может использоваться задатчик давления (пилот-регулятор), редуктор и прочие аналогичные устройства. В этих устройствах чаще всего применяется регулируемый газ в качестве рабочего тела.

Для открытия регулятора система командного давления газа настраивается на определенное заданное давление, которое по магистрали командного давления 38 через штуцер 11 передается в полость командного давления 18. Под действием командного давления регулирующий поршень 30 перемещается и через жестко связанный со штоком 25 поршневой клапан 3 открывает регулятор давления. Редуцирование газа происходит при прохождении его через дроссельный канал, образуемый поверхностью 42 накидной гайки 6, поверхностью деформируемого уплотнения 35, поверхностями 40 и 41 профилированного кольца 14, поверхностью 39 седла 2 (фиг. 2, 3, 4). В процессе работы возможна дополнительная коррекция величины управляющего давления для выбора того или иного режима работы регулятора по выходному давлению, величина которого задается потребителем газа. При увеличении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 13 уменьшается и по магистрали давления обратной связи 37 передается по каналу 29 в полость 20. Снижение давления в полости 20 приводит к нарушению равновесия регулирующего поршня 30 и его перемещения, а вместе с ним и перемещению поршневого клапана 3, в результате чего увеличивается проходная площадь дроссельного канала, а следовательно, и расход газа. Регулирующий поршень 30 перемещается вместе с поршневым клапаном 3 до тех пор, пока не установится равновесие, соответствующее заданному выходному давлению при новом расходе. При уменьшении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 13 повышается, что приводит к обратному перемещению регулирующего поршня 30 и уменьшению площади дроссельного канала. Для снижения колебаний давления, возникающих в канале выхода газа 13, и обеспечения устойчивой работы регулятора давления предусмотрена магистраль давления обратной связи 37, сообщающая полость давления обратной связи 20 с магистралью потребителя в сечении, расположенном на расстоянии не менее шести диаметров трубопровода после регулятора давления.

Для обеспечения устойчивой работы регулятора при малых расхода газа, предотвращения залипания профилированного кольца 14 и снижения автоколебаний геометрия дроссельного канала задается таким образом, чтобы при малых расходах, а следовательно, и малых проходных сечениях дроссельного канала, перемещение поршневого клапана 3 не приводило к существенному изменению проходного сечения дроссельного канала.

Это достигается профилированием поверхностей 39, 40, 41, 42. На фиг. 2 представлен продольный разрез дроссельного канала с плавными образующими, где касательные к поверхностям 39 и 42 в месте их контакта со съемным деформируемым уплотнением 35 образуют угол, близкий к 90°, по отношению к поверхности деформируемого уплотнения 35. Радиусы скругления R у поверхностей 40 и 41 профилированного кольца 14 составляют R≤0,5 L, где L - толщина профилированного кольца 14.

На фиг. 3 представлен продольный разрез узла дросселирования со ступенчато изменяемыми конусными поверхностями дроссельного канала. Поверхности дроссельного канала 42, образованные накидной гайкой, и 39, образованные седлом, выполнены комбинированными в виде ступенчато изменяемых конусных поверхностей с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности.

На фиг. 4 представлен продольный разрез узла дросселирования, в котором дроссельный канал, образуемый поверхностью 39 седла 2 и поверхностью 42 накидной гайки 6 и профилированным кольцом 14, имеет начальный цилиндрический участок, переходящий в расширяющуюся часть.

При дросселировании газа вследствие высоких скоростей потока и возможном присутствии в газе различных абразивных частиц происходит эрозия элементов дроссельного канала.

Элементы дроссельного канала накидная гайка 6, седло 2, профилированное кольцо 14 изготавливаются из износоустойчивого материала и позволяют проводить их демонтаж и замену, что повышает ресурс регулятора и надежность его работы. Деформируемое уплотнение 35 легко снимается и заменяется, что также способствует повышению ресурса регулятора и надежности его работы. Кроме того, смена профилированного кольца 14, и/или накидной гайки, 6 и/или седла 2 позволяет легко осуществлять изменение эксплуатационных характеристик регулятора, увеличивать или уменьшать диапазон регулирования по расходу, давлению и обеспечивает его ремонтопригодность.

Незначительное изменение площади дроссельного канала, имеющее место при малом удалении поршневого клапана 3 от поверхности деформируемого уплотнения 35 (от нескольких долей мм. до 1-2 мм), обеспечивает устойчивую работу регулятора при малых расходах и снижает автоколебания в системе регулирования расхода газа и предотвращает залипание профилированного кольца 14.

Геометрия дроссельного канала обеспечивается тем, что:

- дроссельный канал, образуемый седлом 2, накидной гайкой 6 и профилированным кольцом 14, имеет хорошо обтекаемые поверхности;

- дроссельный канал имеет в начальном участке цилиндрическую часть, переходящую в расширяющуюся часть;

- дроссельный канал образован комбинированными ступенчато изменяемыми конусными поверхностями с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности;

- накидная гайка 6 со стороны поршневого клапана 3 имеет хорошо обтекаемую поверхность.

При дросселировании газа образуется существенный перепад давлений между каналом входа 5 и каналом выхода 13 (в том числе и сверхкритический перепад давлений) в потоке генерируются колебания, обусловленные отрывными явлениями и автоколебаниями, при этом хорошо обтекаемые поверхности и специальное профилирование дроссельного канала позволяет уменьшить уровень шумов, генерируемых в регуляторе

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использовано для регулирования давления газа. Регулятор содержит каналы входа (5) и выхода (13) газа, корпус (1) с задней крышкой (22), внутри которого на штоке (25), установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан (3), взаимодействующий с седлом (2), сообщающий каналы входа (5) и выхода (13) газа, и регулирующий поршень (30), герметично разделенные между собой посредством неподвижной втулки (32) с образованием соответственно разгрузочной полости (16) и полости командного давления (18). Седло (2) снабжено накидной гайкой (6) с образованием между ними полости, внутри которой установлено съемное деформируемое уплотнение (35), фиксируемое накидной гайкой (6), а на поршневом клапане (3) герметично установлено профилированное кольцо (14), выступ которого входит в полость между седлом (2) и накидной гайкой (6) и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана (3). Седло (2), уплотнение (35), накидная гайка (6) и профилированное кольцо (14) определяют геометрию дроссельного канала при «открытом» регуляторе и обеспечивают герметичность при «закрытом» регуляторе давления. При дросселировании газа образуется существенный перепад давлений между каналом входа (5) и каналом выхода (13), в потоке генерируются колебания, обусловленные отрывными явлениями и автоколебаниями, при этом хорошо обтекаемые поверхности и специальное профилирование дроссельного канала позволяет уменьшить уровень шумов, генерируемых в регуляторе. В результате повышаются надежность регулятора и ресурс его работы. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Регулятор давления газа, содержащий каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, полость управляющего давления сообщена с системой командного давления газа, канал входа сообщен с каналом выхода посредством поршневого клапана, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа, отличающийся тем, что седло снабжено накидной гайкой с образованием между ними полости, внутри которой установлено съемное уплотнение, фиксируемое накидной гайкой, а на поршневом клапане со стороны входа герметично установлено съемное профилированное кольцо с выступом по периферии, выступ которого входит в полость между седлом и накидной гайкой и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана.

2. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что съемное уплотнение между седлом и накидной гайкой - деформируемое.

3. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет хорошо обтекаемые поверхности.

4. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет в начальном участке цилиндрическую часть, переходящую в расширяющуюся часть.

5. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, образован комбинированными ступенчато изменяемыми конусными поверхностями с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности.

6. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что накидная гайка со стороны поршневого клапана имеет хорошо обтекаемую поверхность.

7. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности седла со стороны его контакта с корпусом регулятора имеется уплотнение.

8. Регулятор давления газа по п.1, отличающийся тем, что между поршневым клапаном и профилированным кольцом имеется уплотнение.