РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ С УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПОЛОСТЬЮ
PRESSURE CONTROL WITH CONTROL CAVITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к регуляторам давления и, более конкретно, к регуляторам давления с управляющей полостью.
Уровень техники
Во многих системах управления производственными процессами применяются регуляторы, контролирующие давление технологической текучей среды, давление, которое приложено к устройству управления процессом (например, к силовому пускателю), и другие параметры такого типа. На регулятор, понижающий давление (далее - понижающий регулятор), обычно подают относительно высокое давление с целью получения на выходе более низкого регулируемого давления. В результате, несмотря на падение давления на регуляторе такого типа, он позволяет обеспечить относительно постоянное давление исходящей текучей среды в широком интервале выходных параметров (таких, например, как требуемый расход, пропускная способность и др.).
Некоторые варианты устройств указанного назначения, обычно именуемые регуляторами с управляющей полостью, используют задающую или управляющую ступень, на которую подают контрольное (регулирующее) давление (например, заданное давление или желаемое выпускное давление). В типичном варианте контрольное давление, поданное в управляющую полость, воздействует на чувствительный компонент (например, на поршень), который, в свою очередь, преодолевая сопротивление пружины, передвигает шток клапана и его затвор к седлу клапана или от указанного седла, делая давление на выходе регулятора, по существу, эквивалентным управляющему давлению.
Однако в конструкциях регуляторов указанного типа поршень (чувствительный компонент) и узел затвор/шток клапана обычно применяются в виде раздельных деталей. Вследствие такого разделения известные регуляторы проявляют тенденцию к превышению/занижению заданного давления на выходе и/или могут придать указанному давлению осциллирующий характер. В частности, поскольку поршень и шток клапана механически между собой не соединены, имеется вероятность потери связи между поршнем и узлом шток/затвор, проявляющейся в виде утраты контроля за положением затвора относительно седла на короткий отрезок времени или на одно мгновение. В результате конструкции регуляторов указанного типа в ответ на быстрые изменения контрольного (т.е. регулирующего) давления могут выдавать нестабильные (завышенные, заниженные или осциллирующие) значения давления на выходе. Например, в некоторых известных приложениях контрольное давление подают или регулируют через быстродействующие соленоидные клапаны, которые создают в управляющей полости быстротечные изменения давления и, таким образом, усугубляют указанную выше проблему стабильности, связанную с применением известных конструкций понижающих регуляторов с управляющей полостью. В добавление к проблеме стабильности такого типа в указанных регуляторах используется относительно большое количество деталей, из-за чего увеличиваются стоимость материалов и затраты на техническое обслуживание, а также вероятность отказов в работе.
В опубликованной заявке US 2004/0007269 описаны понижающие регуляторы, имеющие относительно небольшое количество перемещающихся деталей, с выполнением поршня (чувствительного компонента) и узла затвора клапана, по существу, в виде единой сборки. Содержание указанной заявки полностью включено в данное описание посредством ссылки. Описанные в данной заявке понижающие регуляторы представляют собой устройства, встроенные в технологическую линию и не использующие для контроля выпускного давления ступень управления или управляющую полость. Вместо этого применены пружины, устанавливающие предварительно заданное давление на выходе. В добавление к уменьшению количества перемещающихся деталей к достоинствам указанных регуляторов относится также тот факт, что, по существу, объединенные поршень и узел затвора клапана исключают вероятность отсоединения затвора от поршня, характерную для рассмотренных выше конструкций с управляющей полостью.
Далее, в некоторых приложениях желательно обеспечить несколько питаемых от единого источника выходов для текучей среды под давлением, причем давление на них может иметь различающиеся значения. Обычно такие режимы обеспечиваются посредством двух или нескольких регулирующих агрегатов (таких как описанные выше регуляторы с управляющей полостью), понижающих давление и соединенных между собой по потоку с помощью распределительного узла или трубопроводной системы. Однако сборка указанных агрегатов обычно стоит дорого, кроме того, они характеризуются большим объемом, значительным весом, необходимостью сложного технического обслуживания и другими недостатками.
Раскрытие изобретения
В одном из приводимых далее примеров регулятор давления содержит корпус, который имеет впускное и выпускное отверстия для текучей среды под давлением. В корпусе расположен поршень, связанный по потоку с указанными впускным и выпускным отверстиями и с управляющим входом (входом регулировки давления). Поршню придана конфигурация, обеспечивающая возможность его контакта с седлом клапана и управления потоком текучей среды на участке от впускного отверстия до выпускного отверстия, причем указанная регулировка происходит в ответ на давление, приложенное к поверхности поршня через управляющий вход.
В следующем примере регулятор давления содержит регулирующий давление клапан, снабженный управляющей полостью. Клапан связан по потоку с впускным и выпускным отверстиями для текучей среды под давлением и с источником контрольного давления. При этом клапан имеет поршень, которому придана конфигурация, обеспечивающая возможность его сопряжения с седлом клапана и управления потоком текучей среды через указанное седло на участке между впускным и выпускным отверстиями.
Еще в одном примере регулятор давления содержит корпус, который имеет впускное отверстие, а также первое и второе выпускные отверстия для текучей среды под давлением. Кроме того, данный регулятор снабжен первым и вторым регулирующими давление клапанами, расположенными в корпусе и связанными по потоку с впускным отверстием, а также с первым и вторым выпускными отверстиями соответственно. Каждый из этих клапанов содержит поршень, который имеет первый участок, воспринимающий регулирующее давление, и второй участок, прикрепленный к первому участку, причем конфигурация второго участка обеспечивает возможность его герметичного сопряжения с седлом клапана.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 в сечении иллюстрирует известный понижающий регулятор, снабженный управляющей полостью.
Фиг.2 в сечении иллюстрирует пример предлагаемого понижающего регулятора, снабженного управляющей полостью и имеющего сдвоенный выход.
Осуществление изобретения
В общем случае описываемый в качестве примера понижающий регулятор с несколькими выходами и управляющей полостью имеет единственный корпус, в котором размещено несколько клапанов, регулирующих давление. В каждом из указанных клапанов предусмотрен выход (выпускное отверстие) для текучей среды под давлением, причем указанные выходы независимы друг от друга и питаются от имеющегося в корпусе регулятора общего впускного отверстия для текучей среды под давлением.
В отличие от известных регулирующих клапанов, снабженных управляющей полостью, в понижающем регуляторе с несколькими выходами и с управляющей полостью, описываемом в качестве примера, использованы клапаны регулировки давления, по существу, цельный поршень (чувствительный компонент) и клапанный узел, который, по существу, ослабляет или исключает отклонения выпускного давления от заданного уровня (например, его завышение, занижение, колебания и т.д.). Такая нестабильность может быть результатом быстрых изменений контрольного давления (давления в управляющей полости). Кроме того, по сравнению с некоторыми известными аналогами применение цельного поршня (чувствительного компонента) и клапанного узла позволяет уменьшить количество деталей, требуемых для функционирования клапанов, регулирующих давление. В результате появляется возможность создать более компактную конструкцию, а также повысить надежность и снизить затраты.
Таким образом, данный вариант конфигурации регулятора с несколькими выходами представляет собой регулирующий агрегат, имеющий несколько выходов при едином корпусе, т.е. в отличие от некоторых известных конструкций такого типа, в нем нет необходимости использовать многочисленные фитинги, патрубки, а также объемные и дорогостоящие манифольды. Далее, клапаны, регулирующие давление и использованные для осуществления данного примера регулятора, имеют меньше внутренних компонентов. Таким образом, вследствие своей повышенной надежности, определяемой меньшим суммарным количеством компонентов, представленный регулирующий агрегат с несколькими выходами можно изготовить с меньшими затратами на изготовление/сборку и, кроме того, с уменьшенными эксплуатационными расходами.
Перед обсуждением представленного на фиг.2 понижающего регулятора с несколькими выходами будет рассмотрен известный регулятор 100 (см. фиг.1), также имеющий управляющую полость. Известное устройство содержит корпус 102 с впускным отверстием 104, выпускным отверстием 106 и управляющим входом 108. В корпусе 102 на резьбе установлена заглушка (пробка) 110 с образованием управляющей полости 112. Кольцевое уплотнение 114, формирующее герметичное уплотнение внутреннего канала 116 корпуса, опирается на кольцо 118 (тем самым предотвращается продавливание указанного уплотнения 114 между пробкой и корпусом). В канале 116 установлен, с возможностью скользящего перемещения, поршень (чувствительный компонент) 120, снабженный кольцевым уплотнением 122 и опорными кольцами 124, 126, обеспечивающими герметичность сопряжения поршня 120 с каналом 116. Сопряжение поршня с клапанным узлом 128 осуществляется через шток 130 затвора 132. Указанный затвор посредством пружины 135 подпружинен в направлении седла 134 или от него.
В процессе работы желаемое контрольное (регулирующее) давление подается на управляющий вход 108 и, таким образом, на поршень 120. Если давление у выпускного отверстия 106 меньше контрольного, поршень смещается по направлению к седлу 134 клапана, отводя от него затвор 132. В результате дросселирование между впускным и выпускным отверстиями (104 и 106 соответственно) уменьшается, что позволяет давлению у выпускного отверстия повыситься. При указанном увеличении давления растет величина давления, отводящего поршень 120 от седла 134. В том случае, когда давление, приложенное к первой торцевой поверхности 136 поршня 120 (т.е. давление на управляющем входе 108), по существу, эквивалентно давлению, приложенному ко второй торцевой поверхности 138 поршня (т.е. давлению у выпускного отверстия 106), он останется в относительно стационарном положении внутри канала 116, а давление у выпускного отверстия 106 будет оставаться, по существу, постоянным на уровне давления у управляющего входа 108.
Однако для показанного на фиг.1 регулятора 100 характерна нестабильность давления на выходе. Например, в некоторых приложениях управление подачей давления от управляющей полости (т.е. давления, приложенного на управляющем входе 108 управления) на регулятор 100 осуществляется с использованием двух соленоидных клапанов (не показаны). Один из них открывается, чтобы через вход 108 ввести воздух под давлением в управляющую полость 112, а другой через тот же вход сбрасывает давление из указанной полости. Хотя такое расположение соленоидных клапанов обеспечивает быстродействующую процедуру введения воздуха под высоким давлением в управляющую полость 112 регулятора, оно создает относительную нестабильность давления (в частности, повышение, понижение или колебания давления). Более конкретно, быстрая подача воздуха (например, в виде быстрого воздушного импульса) в полость 112 может вызвать быстрое открывание регулятора 100 до уровня, соответствующего максимальному потоку, которое далее вызовет повышение давления на выходе регулятора. В ответ на такой рост выпускного давления быстро закрывается клапан 128, в результате чего давление на выходе регулятора уменьшается ниже уровня желаемого контрольного давления. Таким образом, указанная нестабильность может привести к последовательности повышений и понижений давления или к непрерывным колебаниям давления на выходе регулятора.
На фиг.2 в сечении представлен пример понижающего регулятора 200, который снабжен управляющей полостью и имеет сдвоенный выход. Регулятор содержит первый и второй понижающие регуляторы 202, 204, снабженные клапанными узлами (соответственно 206 и 208), понижающими давление. Как показано на чертеже, понижающие регуляторы 202 и 204 расположены внутри общего, по существу, цельного корпуса 210. Его можно изготовить из металла, например из латуни, нержавеющей стали или любого другого металла/материала, пригодного для выбранного конкретного приложения регулятора. В корпусе 210 выполнены единичное впускное отверстие 212 для текучей среды, представляющее собой источник давления для регуляторов 202, 204, и независимые множественные или сдвоенные выпускные отверстия 214, 216 для текучей среды, ассоциированные соответственно с первым и вторым регуляторами 202, 204.
При детальном рассмотрении первого регулятора 202 видно, что в корпус 210 герметично ввинчена пробка (крышка) 218. Данная деталь имеет входное отверстие (управляющий вход) 220, образующее канал 222 для текучей среды к управляющей полости 224. В данном примере предусмотрена возможность установить на траектории текучей среды на участке между управляющим входом 220 и управляющей полостью 224 ограничитель 226 потока.
Чувствительный компонент (поршень) 228, установленный с возможностью скольжения относительно корпуса 210, связан по потоку с впускным и выпускным отверстиями 212, 214 для текучей среды под давлением, а также с управляющим входом 220 (через управляющую полость 224 и канал 222). Поршень 228 имеет первый участок 230 с поверхностью 232, воспринимающей давление, приложенное через управляющий вход 220 (т.е. давление в управляющей полости 224). Кроме того, поршень имеет второй участок 234, конфигурация которого обеспечивает возможность его контакта с седлом 236 клапана и регулировку потока текучей среды на участке от впускного отверстия 212 до выпускного отверстия 214 в виде отклика на давление, приложенное к поверхности 232 поршня через управляющий вход 220. В отличие от некоторых известных регулирующих клапанов, а также от понижающих регуляторов, снабженных управляющей полостью, первый и второй участки (соответственно 230 и 234) поршня (чувствительного компонента) 228 жестко связаны друг с другом (т.е. их невозможно разделить во время работы клапана 206) и, таким образом, образуют, по существу, единый компонент.
Седло 236 клапана может представлять собой компонент, имеющий форму, обычно придаваемую затвору клапана, и изготовленный, по существу, из пластикового или любого другого материала, который по сравнению с материалом поршня 228 является более мягким. Пружина 238, помещенная между участком 240 корпуса 210, несущим седло, и фланцем 242 поршня 228, смещает кольцевую поверхность 244 центрального канала 245 поршня по направлению к седлу 236 или герметично прижимает эту поверхность к седлу. Для герметичного соединения корпуса 210 и пробки 218 использовано несколько кольцевых уплотнений (например, уплотнительных колец круглого сечения) 246, 248 и 250, расположенных в соответствующих кольцевых выточках или канавках 252, 254 и 256. Уплотнение 250 дополнительно содержит опорное кольцо 258, препятствующее или исключающее выдавливание указанного уплотнения из его канавки 256.
В процессе работы к управляющему входу 220 прикладывают контрольное давление (например, равное желаемому давлению на выходе). Далее приложенное давление через ограничитель 226 потока распространяется в управляющую полость 224. В такой схеме ограничитель 226 предотвращает слишком быстрое повышение (или понижение) давления, прикладываемое к поверхности 232 поршня, и, таким образом, содействует существенному уменьшению или предотвращению нестабильности давления (например, его завышения, занижения, колебаний и т.д.) у выпускного отверстия 214. В частности, когда для увеличения или уменьшения давления в управляющей полости 224 используют соленоидные клапаны (не показаны), ограничитель 226 замедляет поток воздуха, проходящий к полости 224 (или исходящий из нее) от этих клапанов (или к ним). Это, в свою очередь, ведет к замедлению перемещения поршня 228 с предотвращением тем самым колебаний или циклических изменений его положения и, таким образом, изменений давления у выпускного отверстия 214 относительно уровня желаемого давления на выходе.
В процессе работы регулятора контрольное давление, через управляющий вход 220 приложенное к поверхности 232 поршня, принудительно смещает поршень 228, преодолевая усилие пружины 238, и, таким образом, отводит кольцевую поверхность 244 от седла 236. В результате дросселирование между впускным и выпускным отверстиями 212 и 214 уменьшается, что позволяет повыситься давлению у выпускного отверстия. Как следствие указанного повышения давление на фланец 242 и поверхность 260 поршня заставляет поршень сместиться в направлении, обратном воздействию давления в полости 224. В результате кольцевая поверхность 244 смещается к седлу 236, увеличивая дросселирование между впускным и выпускным отверстиями 212 и 214 соответственно, что дает возможность понизить уровень (или прекратить увеличение) давления у выпускного отверстия. Когда силы, заставляющие поверхность 244 перемещаться от седла и к седлу, находятся в равновесии, давление у выпускного отверстия 214, по существу, равно давлению, подаваемому через управляющий вход 220 в управляющую полость 224.
В добавление к герметизации контакта между поршнем 228 и корпусом 210 уплотнения 246, 248 и 250 служат также для повышения стабильности на выходе регулятора 202. Более конкретно, указанные уплотнители обеспечивают фрикционное взаимодействие с корпусом, демпфирующее перемещения поршня, которые происходят как реакция на относительно быстрые изменения давления или возмущения у впускного отверстия 212, управляющего входа 220 и/или выпускного отверстия 214.
Выполнение поршня 228, по существу, цельным дополнительно способствует стабильности работы регулятора 202. В частности, в отличие от известных регуляторов давления, снабженных управляющей полостью, затвор или герметизирующая поверхность (например, уплотнительная поверхность 244) составляет единое целое с поршнем (чувствительным компонентом) 228, тем самым исключая любую возможность отделения механизма, регулирующего поток текучей среды через седло 236, от механизма, воспринимающего давление в управляющей полости 224, т.е. подвергающегося воздействию этого давления и реагирующего на него.
В отсутствие контрольного давления в полости 224 (т.е. при нулевом давлении), смещение, создаваемое пружиной 238, обеспечивает герметичный контакт (герметичное сопряжение) между уплотняющей поверхностью 244 и седлом 236. Таким образом, клапан 206 регулятора является нормально закрытым. В добавление к сказанному, указанный клапан гарантирует наличие безотказной (например, самовосстанавливающейся) структуры уплотнения. В частности, если у седла 236 образуется утечка из-за загрязнений или любых других дефектов, связанных с уплотняющей поверхностью 244 и/или седлом 236, давление у выпускного отверстия 214 увеличится, что приведет к приложению повышенного усилия к фланцу 242 и к поверхности 260 поршня, т.е. к прижатию уплотняющей поверхности 244 к седлу 236. В том случае, когда седло 236 изготовлено из относительно более мягкого материала, например из пластика, т.е. если его твердость меньше, чем у поверхности 244 поршня 228, оно деформируется и/или видоизменяется таким образом, чтобы соответствовать дефектам, загрязнениям и другим факторам такого рода, а это приводит к герметизации по указанной поверхности. Сразу же после деформации или видоизменения седла 236 в соответствии со структурой поверхности 244 утечка через седло существенно уменьшается или устраняется вообще.
Второй регулятор 204, понижающий давление, и клапан 208 сформированы с использованием таких же компонентов, что и использованные в первом понижающем регуляторе 202. Поэтому указанные регулятор и клапан более детально не рассматриваются. В дополнение к сказанному (хотя перечисленные далее узлы на чертеже не показаны) к выпускным отверстиям 214 и 216 обоих понижающих регуляторов 202, 204 можно подсоединить предохранительный или перепускной клапан, а во впускном отверстии 212 поместить входной фильтр, предотвращающий попадание загрязнений в клапаны 206 и 208 (в частности, на их седла, например на седло 236). Следует отметить, что уровни давления в управляющих полостях (например, в полостях 224) понижающих регуляторов 202 и 204 необязательно равны между собой (т.е. на эти регуляторы могут поступать различающиеся контрольные давления и, таким образом, возможны различающиеся давления на выходах). Сходным образом, чтобы обеспечить желаемые скорости заполнения и/или опорожнения, предусмотрена возможность придать ограничителям потока одинаковые или различающиеся размеры/конфигурации.
Далее, следует иметь в виду, что, хотя в представленном на фиг.2 примере понижающий регулятор 200 состоит из двух понижающих регуляторов, в зависимости от условий конкретного приложения возможны альтернативные конструкции, содержащие только один регулятор или больше двух регуляторов. В одном из альтернативных примеров для дополнительного регулятора предусмотрена возможность его прикрепления к регулятору 200 болтами или посредством какого-то другого крепежного средства. В таком случае на входе добавленного (например, третьего) регулятора может быть предусмотрено дополнительное впускное отверстие, а с выхода указанного регулятора давление подается в управляющие полости (например, в полости 224) регуляторов 202 и 204. В альтернативном варианте выход добавленного регулятора может питать соленоидные клапаны, которые, в принципе, могут служить для регулировки давления в указанных управляющих полостях.
Кроме обеспечения высокостабильного давления на выходе, конфигурация регулятора 200, приведенного в качестве примера, исключает необходимость использования нескольких соединительных деталей, таких, например, как коленчатые патрубки, тройники и другие аналогичные приспособления, применяемые в известных понижающих регуляторах с несколькими выпускными отверстиями. При этом регулятор 200 отличается от известных аналогов относительно небольшими габаритными размерами и уменьшенным весом. Далее, количество внутренних деталей в нем относительно невелико, т.е. его стоимость может быть ниже, а надежность выше, чем у известных регуляторов с несколькими выходами.
Границы, охватываемые данным патентом, не ограничены конкретными узлами, способами и готовыми изделиями, приведенными в данном описании в качестве примеров. Напротив, данный патент охватывает все варианты осуществления, соответствующие прилагаемой формуле изобретения, причем как буквально, так и с учетом эквивалентов.