Регулятор давления газа (варианты)

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.Для компактного хранения и удобного транспортирования значительных объемов технологического газа целесообразно подвергать газ сжатию и помещать его в сжатом виде, т.е. ПОД ВЫСОКИМ ДЗВЛСНИСМ В МКОСТЬ, СПОСОбНуЮ такое давлеъше выдерживать, например, в баллон. При технологическом же потреблении газа требуется в подавляющем большинстве случаев гораздо более низкое давление. В связи с этим между емкостью для хранения сжатого газа и технологическими устройствами, потребляющими газ, устанавливаются регуляторы давления газа. Их функция заключается, с одной стороны, в снижении давления газа, выходящего из емкости, до технологического (эта функция определяет и другое принятое название этих регуляторов: редукторы) и, с другой стороны, в поддержании ВСЛИЧИНЫ ДЗВЛСНИЯ ПОТрСбЛЯСМОГО газа, поступающего в технологический аппарат,на заданном урОВНС С ДОПУСТИМЬТМИ ОТКЛОНСниями. Во многих случаях допустимые отклоНСНИЯ УрОВНЯ ДЗВЛСНИЯ ВССЬМЗ МЗЛЬТ, И ПОТОМУ К регуляторам - их конструкции и принципу действия - предъявляются высокие требования. Этим требованиям известные конструкции регуляторов давления газа не всегда могут удовлетворять.Известен регулятор давления газа (0, А 1,Мг 1315955), содержащий корпус, входной и выходной каналы, регулирующий дроссель,разделяющий полости высокого и низкого давления в корпусе и состоящий из седла и запорного органа, поджатого к седлу упругим элеМСНТОМ, И ТОЛКЗТСЛЬ, ПОДВИЭКНЫЙ ОТНОСИТСЛЬНО корпуса и связывающий запорный орган с чувствительным элементом. Регулятор содержит также ДНИЩС, ВЬТПОЛНСННОС В ВИДС диска, СЛУжащего стенкой между полостью низкого давления и демпфирующей камерой, и упругое кольцо с радиальными пазами, расположенное МСЪКДУ ЧУВСТВИТСЛЬНЬТМ ЗЛСМСНТОМ И ДНИЩСМ; при этом демпфирующая камера сообщается с полостью низкого давления через отверстие в днище, являющееся по существу демпфирующим дросселем, а чувствительный элемент регулятора нагружен элементом задания. Наличие упругого кольца и днища с демпфирующим дросселем увеличивает точность и устойчивость регулирования при постоянных расходах газа.Недостатками известного регулятора являются:изменение выходного давления регулятора вследствие изменения силы элемента задания из-за изменяющегося зазора в регулирующем дросселе при различных расходах газа, что приводит к понижению точности регулирования;сложная, ломаная траектория движения газового потока в регуляторе оказывает дополниТСЛЬНОС ВЛИЯНИС на ПЗДСНИС ДЗВЛСНИЯ газа, ЧТО приводит к ограничению пропускной способности и ограничивает точность регулирования;НЗЛИЧИС ДОПОЛНИТСЛЬНЫХ ЗЛСМСНТОВ В регуляторе (днища и специального упругого кольца) усложняет конструкцию.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является регулятор давления газа (0, А 1, Мг 1236441), содержащий корпус, полость высокого давления, соединенную с входным каналом, внутреннюю полость низкого ДЗВЛСНИЯ, СОСДИНШ-[УЮ С ВЫХОДНЫМ каналом И образующую центральный канал, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и запорным органом, поджатым к седлу упругим элементом, а также демпфирующую камеру,отделнную от полости низкого давления стенкой Корпуса с соедиъштельным отверстием в ней. Соединительное отверстие, расположенное соосно с центральным каналом, соединяет полость низкого давления с демпфирующей камерой посредством эжектора, образованного жестко закрепленной в соединительном отверстии стенки корпуса трубкой и цилиндром, закрепленным на запорном органе; при этом трубка размещена с осевым и радиальным зазорами в цилиндре. Регулятор содержит также чувствительный элемент, выполненный в виде заделанной в корпус мембраны, образующей другую стенку демпфирующей камеры и взаимодействующей с элементом задания. В корпусе с возможностью осевого перемещения установлен толкатель, связывающий чувствительный элемент с запорным органом, при этом толкатель проходит через трубку эжектора с радиальным зазором и, по меньшей мере, на всей длгше этой ВЬТПОЛНСН С ПОСТОЯННЫМ ПОПСрСЧНЫМ сечением, а выходной канал сообщается непосредственно с центральным каналом и располоЖен под углом К нему.Известному регулятору присущи следующие недостатки:направление ДВИЖСНИЯ потока газа В НЗЧЗле центрального канала и направление эжекции из зазора между цилиндром и трубкой располоЖСНЬТ ПОД ПрЯМЬПИ УГЛОМ К ОСИ ВЬТХОДНОГО канала, ЧТО ПРИВОДИТ К НСУПОрЯДОЧСННОСТИ ДВШКСния газового потока и существенному снижению эжекционного эффекта, несмотря на применение скоса в цилиндре, направленного в сторону выходного канала, что в конечном итоге приводит к снижению точности регулирования;ВЫПОЛНСНИС эжектора ИЗ ДОПОЛНИТСЛЬНЪТХ элементов - жестко закреплнной трубки в цилиндрическом отверстии стенки корпуса трубки, а также цилиндра, закрепленного на запорном органе, усложняет конструкцию регулято Ра;не регламентированы параметры регулятора, в частности, площадь сечения зазора между толкателем И трубкой, от которых зависит устойчивость его работьт; при неверно выбранных параметрах регулятора в полости низкого давления возникают вынужденные противофазные колебания давления газа, частота которых можег быть близка или равна частоте собственных колебаний системы подвижных элементов регулятора (элемент задания, упругий элемент, мембрана, толкатель, запорный орган), и в этом случае регулятор входит в автоколебательныйсравнительно повышенная металломкость, так как регулирующий дроссель и полость высокого давления размещены непосредственно в корпусе, а это требует увеличения габарита корпуса и расхода металла, зачастую дефгщитного, например, латуни.Задачей изобретения является повышение точности и стабильности автоматического поддержания давления за счет повышения плавности газового потока в полости низкого давления и эффективности эжекции, а также обеспечение устойчивости регулирования за счт исключения возможности автоколебательного процесса в регуляторе. Еще одной задачей изобретения является упрощение конструкции и снижение металломкости.Указанные задачи решены тем, что в регуляторе расхода газа, содержащем корпус, полость высокого давления, соединенную с входным каналом, внутреннюю полость низкого ДЗВЛСНИЯ, СОСДИНННУЮ С ВЫХОДНЫМ каналом И образующую центральный канал; регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и запорным органом, поджатым к седлу с помощью упругого элемента; демпфирующую камеру, отделенную от полости низкого давления стенкой корпуса с соединительным отверстием в ней, расположенным соосно с центральным каналом и сообщающим полость низкого давления с демпфирующей камерой; чувствительный элемент в виде заделанной в корпус мембраны,образующей другую стенку демпфирующей камеры и взаимодействующей с элементом задания, толкатель, установленный с возможностью осевого перемещения в корпусе и связывающий чувствительный элемент с запорным органом, причм толкатель проходит через соединительное отверстие в стенке корпуса с зазором, а выходной канал сообщается непосредственно с центральным каналом и расположен под углом к нему, а также подводящий штуцер и вспомогательные каналы в корпусе, согласно первому варианту изобретения, вход в вЬ 1 ходной канал сопряжен со входом соединительного отверстия, а параметры регулятора связаны выражением:где Ву - минимальный условный диаметр зазора между толкателем и соединительным отверстием (т.е. диаметр цилиндрического отверстия,площадь сечения которого равна минимальной площади сечения зазора), м;О - максимальный расход газа в выходном канале регулятора, м 3/с;Во втором варианте выполнения регулятора, в отличие от первого, параметры регулятора связаны выражением:ж/зю . 347 (2),где 5 - минимальная площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием, м 2;У - максимальный объм демпфирующей камеры, мз;Сопряжение входа в выходной канал со входом соединительного отверстия позволяет наиболее простыми средствами создать эжекцию и демпфирование.Один из основных параметров описЬ 1 ваемого регулятора давления газа - площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием. Этот зазор, являющийся по существу демпфирующим дросселем, может быть образован различными сочетаниями форм толкателя и соединительного отверстия (в поперечном сечении), например, при цилиндрическом толкателе соединительное отверстие может ШИСТЬ ПрОДОЛЬНЪ 1 С ПЗЗЫ ИЛИ ИМСТЬ КВЗДРЗТНОС сечение или, наоборот, при выполнении соединительного отверстия цилиндрической формы толкатель может иметь трхтранную форму или на его цилиндрической поверхности могут быть нанесены продольные риски.В любом из этих случаев минимальное сечение такого зазора, обеспечивающее работоспособность регулятора, определяется выражением:ВУ=КГРЮ (1),где Ву - минимальный условный диаметр зазора МСЖДУ ТОЛКЗТСЛСМ И СОСДИНИТСЛЬЪПЯМ ОТВСрСТИем (т.е. диаметр цилиндрического отверстия,площадь сечения которого равна минимальной площади сечения зазора), м;(2 - максимальный расход газа в выходном канале регулятора, мз/с;15 =К 2 . Н (2),где - минимальная площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием, м 2;/ - максимальный объм демпфирующей Камеры, мз;По первому варианту параметр Р стоит в числителе выражения (1), поскольку чем больше максимальное давление на входе регулятора,тем больше должен быть диаметр чувствительного элемента, находящегося под воздействием низкого давления. Это условие связано с необХОДИМОСТЬЮ УМСНЪШСНИЯ ПОГрСШНОСТИ ВЬТХОДного давления при изменении давления на входе регулятора, что, в свою очередь, увеличивает объем демпфирующей камеры. Увеличение объема демпфирующей камеры для обеспечения устойчивой работы регулятора требует увеличения сечения демпфирующего зазора.Параметр О стоит в знаменателе выражения (1), поскольку чем больше расход газа на выходе регулятора, тем сильнее эффект эжекции и тем меньшее сечение зазора необходимо для обеспечения работоспособности регулятора.Значения коэффициента Кд определены ЗКСПСрИМСНТЗЛЬНЬТМ ПуТСМ ДЛЯ РЗЗЛИЧНЬТХ СООТношений Р/О и находятся в диапазоне(О,031,93)1 О'12 с-м 5/кг. При значениях коэффициента КО,О 3-10'12 см 5/кг, т.е. при незначительных величинах зазора между толкателем и СОСДИНИТСЛЬНЬТМ ОТВСрСТИСМ, ГЗЗ не УСПСВЗСТ заполнять демпфирующую камеру (или истекать из демпфирующей камеры) при изменениях расхода газа, ЧТО ПРИВОДИТ К ИЗМСНСНШО ВЬТХОДного давления, т.е. снижается точность регулирования. При значениях коэффициента К 193-10"2 с:м 5/кг, т.е. при значительных величинах зазора между толкателем и соединительным отверстием, наблюдается возникновение автоколебаний подвижной системы регулятора, что приводит к резонансным эффектам(увеличивается амплитуда колебаний выходного давления), т.е. снижается устойчивость регулирования.Аналогичным образом, в варианте вЬтполнения регулятора, где параметры регулятора связаны соотношением (2). Минимальное значение площади сечения демпфирующего зазора и максимальный объм демпфирующей камеры,как показали эксперименты, являются взаимосвязанными параметрами, влияющими на работоспособность регулятора описываемой конструкции.Увеличение объма демпфирующей камеры для обеспечения устойчивой работы регуля 000325тора требует увеличения сечения демпфирующего зазора.Значения коэффициента К 2, связывающего эти параметры, определены экспериментальным путем и находятся в диапазоне 0,010,50. При значениях коэффициента К 20,01, т.е. при неЗНЗЧИТСЛЬНЬТХ ВСПИЧРШЗХ ЗЭЗОРЗ МСЖДУ ТОЛКЗТСлем и соединительным отверстием газ не успевает заполнять демпфирующую камеру (или истекать из нее) при изменениях расхода газа,ЧТО ПрИВОДИТ К ИЗМСНСНШО ВЫХОДНОГО ДЗВЛСНИЯ. При этом снижается точность регулирования. При значениях коэффрщиента К 20,50, т.е. при ЗНЗЧИТСЛЬНЬТХ ВСПИЧРШЗХ ЗЭЗОРЗ МСЖДУ ТОЛКЗТСлем и соединительным отверстием, наблюдается возникновение автоколебаний газа в регуляторе,что приводит к резонансным эффектам (увеличивается амплитуда колебаний выходного давления), т.е. снижается устойчивость регулироВЗНИЯ.Толкатель может быть выполнен профилированным, т.е. наряду с участком с постоянным поперечным сечением, проходящим через соединительное отверстие в стенке корпуса, толкатель в зоне центрального канала имеет участок уменьшающегося по направлению к запорному органу поперечного сечения. При таком выполнении толкателя поток газа, обтекая толкатель, более плавно меняет свою траекторию при переходе из центрального канала в выходной канал.Плоскость перехода участка толкателя с ПОСТОЯННЬТМ ПОПСрСЧНЬТМ ССЧСНИСМ В УЧЗСТОК переменного сечения расположена за соединиТСЛЬНЪТМ ОТВСрСТИСМ, И когда ЧЗСТЬ ВХОДЗ В ВЬТходной канал перекрывается участком толкатеЛЯ С ПОСТОЯННЬТМ ПОПСрСЧНЬТМ ССЧСНИСМ, ПЛОЩЗДЬ ВХОДЗ В ВЬТХОДНОЙ канал УМСНЬШЗСТСЯ, а В перекрытом толкателем участке входа в выходной канал образуется область эжекции. При ЭТОМ УМСНЬШСНИС ПЛОЩЗДИ ВХОДЗ В ВЬТХОДНОЙ канал и совпадение направления эжекции с направлением движения потока газа благоприятно сказываются на усилении эжекционного эффекта и стабильности работы регулятора.Обеспечение функций демпфирования и эжекции без применения дополнительных элементов позволяет существенно упростить конструкцию регулятора.В случае незначительного диапазона колебаний эксплуатационных характеристик регулятора предпочтительно применение изобретения по варианту 1. При значительных колебаниях этих параметров при использовании регулятора в широком диапазоне режимов работьт целесо образно использовать изобретение по варианту 2.Целесообразно, с точки зрения простоты изготовления толкателя, толкатель в зоне центрального канала ВЬТПОЛНИТЬ С КОНИЧССКШИ УЧЗСТКОМ.Этот конический участок сужается по направлению к запорному органу, как и предусмотрено изобретением.Для более плавного и полного поворота газового потока целесообразно толкатель в зоне центрального канала выполнить с участком,имеющим в продольном сечении форму четверти эллипса, одна ось которого параллельна оси толкателя. Такая форма толкателя обеспечивает плавную траекторию газового потока, без резКИХ ПОВОрОТОВ, на КОТОрЫХ ОбЫЧНО ПрОИСХОДИТ неуправляемое падение давления газа, хотя, с точки зрения простоты изготовления, эта форма выполнения толкателя уступает предыдущей,конической.Для плавного расширения потока газа на входе в полость низкого давления и исключения его завихрения при дальнейшем изменении направления движения в полости низкого давлеНИЯ И В ВЬЕХОДНОМ КЗНЗЛС, а ТЗКЖС УМСНЬШСНИЯ возмущающих воздействий на подвижную сисТСМУ И ТСМ СЗМЬПИ ПОВЫШСНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И точности регулирования, целесообразно центральный канал на участке седла, по меньшей мере, ЧЗСТИЧНО ВЫПОЛНИТЬ С КОНИЧССКИМ СУЖСнием в направлении к запорному органу.С точки зрения создания оптимальных газодинамических условий обтекания газом толкателя И МИНИМИЗЗЦИИ СОПрОТИВЛСНИЯ ДВИЖСнию газа при обтекании толкателя и повороте газового потока, целесообразно диаметр соединительного отверстия в стенке корпуса делать равным диаметру центрального канала.Целесообразно также располагать полость высокого давления и регулирующий дроссель в подводящем штуцере, что позволяет уменьшить суммарный объем внутренних полостей, нахоДЯЩИХСЯ ПОД ВОЗДСЙСТВИСМ ВЫСОКОГО ДЗВЛСНИЯ,уменьшить осевой габарит, а, следовательно, и металлоемкость регулятора.Конструктивно целесообразно выполнить седло в виде втулки, зажатой между корпусом и ПОДВОДЯЩШИ ШТУЦСрОМ, И В ССДЛС ВЫПОЛНИТЬ канал, соединяющий полость высокого давления через отверстие в корпусе с одним из вспоМОГЗТСЛЬНЫХ каналов.таком ВЫПОЛНСНИИ наиболее простым образом обеспечивается выХОД ВЫСОКОГО ДЗВЛСНИЯ К ИЗМСрИТСЛЬНОМУ манометру, установленному во вспомогательном канале, и, кроме того, обеспечивается легкая заменяемость седла.Альтернативным И ПрИ ОПрСДСЛСННЫХ УСловиях также целесообразным вариантом является выполнение седла за одно целое с корпусом и выполнение соединительного канала непосредственно в корпусе. При этом повышается герметичность полости высокого давления,уменьшается число деталей регулятора.Для уменьшения размеров регулятора и его металлоемкости целесообразно вспомогаТСЛЬНЫС каналы ВЫПОЛНЯТЬ В КОрПУСС С распо 000325ложением их осей в одной плоскости с осью выходного канала.Для повышения эффективности демпфирования при больших расходах газа мембрану чувствительного элемента целесообразно выполнять составной, по меньшей мере, из двух пластин, между которыми образована герметичная полость.Наконец, при больших расходах газа применяется дополнительное эжектирование, которое наблюдается в процессе прохождения потока газа в выходном канале, пересекающего выход отверстия в стенке корпуса, соединяющего выходной канал с демпфирующей камерой. Дополнительное отверстие, соединяющее демпфирующую камеру с одним из вспомогательных каналов, сглаживает броски давления в демпфирующей камере вследствие нестационарного процесса эжектирования.По сравнению с известными регуляторами давления газа описываемый регулятор обладает большей безопасностью в эксплуатации, а также ШИССТ ПОВЫШСННУЮ ТОЧНОСТЬ регулирования И меньшую металлоемкость. Последнее особенно важно при массовом производстве и использовании при его изготовлении дорогих цветных металлов.В последующем настоящее изобретение ПОЯСНЯСТСЯ ПОДрОбНЫМ ОПИСЗНИСМ КОНКрСТНОГО примера его выполнения со ссылками на прилаГЗСМЫС ЧСрТСЯСИ, на КОТОРЫХ:фиг. 1 изображает общий вид регулятора давления газа, в продольном разрезе, в сборе, фиг. 2 - общий вид регулятора давления газа, в продольном разрезе, в сборе (вариант конструкции), фиг. 3 - поперечный разрез А-А по регулятору на фиг. 1 или 2, фиг. 4 - место В на 1 или 2 в увеличенном масштабе, фиг. 5 - фрагмент разреза регулятора по ВЫХОДНОМУ И ОДНОМУ ИЗ ВСПОМОГЗТСЛЬНЫХ каналов низкого давления, вариант конструкцииЛучший вариант осуществления изобретеНИЯ.Регулятор содержит корпус 1, полость 2 высокого давления, соединштую с входным каналом 3, полость 4 низкого давления, образующую центральный канал 5, через который проходит толкатель 6, выходной канал 7, соединенный с полостью низкого давления, регулирующий дроссель 8, разделяющий полости высокого 2 и низкого 4 давления и образованный седлом 9 и запорным органом 10, поджатым к седлу 9 с помощью упругого элемента 11,демпфирующую камеру 12, отделенную от полости 4 низкого давления стенкой 13 корпуса 1 с соединительным отверстием 14 в ней, расположенным соосно с центральным каналом 5 и соединяющим полость 4 низкого давления с демпфирующей камерой 12, чувствительный