РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использована 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, с. 68). Достоинством таких устройств является то, что исполнительный механизм можно разгрузить от воздействия потока и исключить непосредственный контакт рабочей среды с резиновой мембраной. Недостатком таких устройств является то, что 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 G05 D 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 установлен с возможностью осевого перемещения клапан-шток, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием полости управляющего давления и полости давления обратной связи. Между поршнем и задней крышкой корпуса образована полость компенсации входного давления, которая сообщена с каналом входа газа, полость давления обратной связи сообщена с каналом выхода газа, полость управляющего давления сообщена со штуцером командного давления газа. Канал входа сообщен с каналом выхода посредством клапана-штока, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа. Полость управляющего давления сообщена со штуцером 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 этого, в регуляторе при малых расходах возникают автоколебания, также приводящие к износу пары седло-клапан при быстрой смене режимных параметров, при внезапном запуске, резком повышении давления, резком изменении расхода газа, поскольку регулятор содержит упругий элемент (пружину), который способствует возникновению колебательных движений клапана относительно седла, что приводит к пульсациям давления в выходной полости (давления потребителя). 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, содержащем каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого установлен с возможностью осевого перемещения клапан-шток, сообщающий каналы входа и выхода газа при взаимодействии с седлом, расположенным в канале входа, регулирующий поршень и поршень компенсации входного давления, образующие соответственно полость управляющего давления, полость давления обратной связи и полость компенсации входного давления, при этом полость компенсации входного давления сообщена с каналом входа газа, полость давления обратной связи сообщена с каналом выхода газа, полость управляющего давления сообщена со штуцером командного давления газа, новым является то, что седло снабжено профилированным кольцом, а на клапане-штоке со стороны входа установлена съемная накидная гайка, которая фиксирует съемное деформируемое уплотнение, расположенное между вышеупомянутой накидной гайкой и наружной поверхностью клапана-штока, при этом седло с профилированным кольцом и вышеупомянутая накидная гайка с деформируемым уплотнением образуют дроссельный канал с изменяемой площадью и геометрией проходного сечения при перемещении клапана-штока.
Дроссельный канал, образуемый седлом с профилированным кольцом и накидной гайкой с деформируемым уплотнением, имеет хорошо обтекаемые поверхности.
Дроссельный канал, образуемый седлом с профилированным кольцом и накидной гайкой с деформируемым уплотнением, образован комбинацией конусной и цилиндрической поверхностей на штоке-клапане.
В дроссельном канале, образуемом седлом с профилированным кольцом и накидной гайкой с деформируемым уплотнением, внешняя и внутренняя поверхности выступа профилированного кольца имеют радиусы сопряжения.
Накидная гайка имеет хорошо обтекаемую поверхность.
На наружной поверхности седла со стороны его контакта с корпусом регулятора и между седлом и профилированным кольцом имеются уплотнения.
На фиг. 1 представлен продольный разрез регулятора давления.
На фиг. 2 представлен продольный разрез узла дросселирования.
Здесь 1 - канал входа газа; 2 - профилированное кольцо; 3 - седло; 4 - корпус; 5 - жиклер; 6 - штуцер командного давления; 7 - деформируемое уплотнение; 8 - накидная гайка; 9 - канал передачи управляющего давления; 10 - полость управляющего давления; 11 - регулирующий поршень; 12 - полость давления обратной связи; 13 - поршень компенсации входного давления; 14 - полость компенсации входного давления; 15 - крышка; 16 - пружина; 17 - кольцо резьбовое; 18 - сквозной осевой канал; 19 - манжета; 20 - канал передачи давления обратной связи; 21 - манжета клапана-штока; 22 - канал выхода газа; 23 - штуцер обратной связи; 24 - фильтр; 25 - кольцо уплотнительное; 26 - уплотнение; 27 - клапан-шток; 28 - стакан; 29 - внешняя поверхность выступа профилированного кольца; 30 - внутренняя поверхность выступа профилированного кольца; 31 - цилиндрическая поверхность клапана-штока 27; 32 - коническая поверхность клапана-штока 27; L - толщина выступа профилированного кольца; R - радиус сопряжения поверхностей выступа профилированного кольца.
Регулятор давления содержит каналы входа 1 и выхода 22 газа, корпус 4 с крышкой 15, внутри которого на клапане-штоке 27, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены узел уплотнения, включающий легко заменяемое деформируемое уплотнение 7, фиксируемое накидной гайкой 8, сообщающее каналы входа 1 и выхода 22 газа при взаимодействии с выступом профилированного кольца 2, установленного на седле 3 в корпусе 4; регулирующий поршень 11, зафиксированный на клапане-штоке 27 резьбовым кольцом 17 с образованием соответственно полости управляющего давления 10 и полости давления обратной связи 12; поршень 13 со стаканом 28 с образованием полости компенсации входного давления 14. На наружной поверхности седла 3 со стороны корпуса 4 установлено уплотнительное кольцо 25, а между легко съемным профилированным кольцом 2 и седлом 3 установлено уплотнение 26, что обеспечивает герметичность соединений и исключает перетекание газа между каналами входа 1 и выхода 22 газа. В крышке 15 установлена пружина 16, которая, воздействуя на регулирующий поршень 11 и жестко связанный с ним клапан-шток 27, прижимает деформируемое уплотнение 7, закрепленное на клапане-штоке 27 к выступу профилированного кольца 2, закрепленного в седле 3.
В корпусе 4 установлены штуцер командного давления 6 с жиклером 5 и штуцер 23 с фильтром 24 и жиклером 5. Полость управляющего давления 10 соединена посредством канала передачи управляющего давления 9 со штуцером 6. Полость давления обратной связи 12 соединена посредством канала передачи давления обратной связи 20 со штуцером 23. Полость компенсации входного давления 14 соединена посредством сквозного осевого канала 18 в клапане-штоке 27 с каналом входа газа 1. На клапане-штоке 27 установлены манжеты 21, а на регулирующем поршне 11 установлены манжеты 19, обеспечивающие герметичность подвижных соединений. Седло 3 с профилированным кольцом 2 и клапан-шток 27 с деформируемым уплотнением 7 и накидной гайкой 8 образуют дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении клапана-штока 27 относительно седла 3 с профилированным кольцом 2. Геометрия дроссельного канала определяется внешней поверхностью 29 и внутренней поверхностью 30 выступа профилированного кольца 2, цилиндрической 31 и конической 32 поверхностями клапана-штока 27, поверхностью деформируемого уплотнения 7.
Регулятор давления работает совместно с системой командного давления газа, в качестве которой может использоваться задатчик давления, редуктор и прочие аналогичные устройства. В этих устройствах может использоваться регулируемый газ в качестве рабочего тела. Для открытия регулятора система командного давления газа настраивается на определенное заданное давление, которое через штуцер 6 и канал 9 поступает в полость 10, вследствие чего регулирующий поршень 11 перемещается и через жестко связанный с ним клапан-шток 27 открывает регулятор давления. Редуцирование газа происходит при прохождении его через дроссельный канал с плавными легко обтекаемыми поверхностями 29 и 30 профилированного кольца 7 и поверхностями 31 и 32 клапана-штока 27. Плавность дроссельного канала обеспечивается сопряжением поверхностей радиусами, не превышающими значения R≤0,5L, где L - толщина выступа профилированного кольца. Плавность поверхностей дроссельного канала обеспечивает снижение уровня шума при редуцировании газа и улучшает его эксплуатационные характеристики.
Коррекция величины управляющего давления для выбора того или иного режима работы регулятора по выходному давлению, величина которого задается потребителем газа, происходит следующим образом. При увеличении расхода потребляемого газа давление в канале 22 выхода газа уменьшается, что приводит к снижению давления в полости давления обратной связи 12, которая через штуцер 23 соединена с каналом выхода газа в магистрали потребителя. Вследствие снижения давления в полости 12 происходит перемещение регулирующего поршня 11 и увеличение площади дроссельного канала. Регулирующий поршень 11 перемещается до тех пор, пока не установится равновесие, соответствующее заданному выходному давлению при новом расходе. При уменьшении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 22 повышается, что приводит к обратному перемещению регулирующего поршня 11 и уменьшению площади дроссельного канала и установлению заданного давления газа в канале выхода газа 22 при новом, уменьшенном расходе газа.
Для снижения колебаний давления, возникающих в канале выхода газа 22, и обеспечения устойчивой работы регулятора давления предусмотрена линия обратной связи, которая осуществляет регистрацию давления в трубопроводе потребителя, в который газ поступает из канала выхода 22. Обратная связь осуществляется отбором давления в канале потребителя на расстоянии не менее 6 диаметров трубопровода после регулятора давления и передачи величины выходного давления в полость 12 через штуцер обратной связи 23. Снижение колебаний давления газа, наряду с использованием линии обратной связи, обеспечивается жиклерами 5, установленными в штуцерах 6 и 23. Наличие жиклеров 5 позволяет уменьшать скорость повышения (или снижения) давления в полостях 10 и 12, что улучшает динамические характеристики регулятора давления и способствует увеличению степени затухания колебаний давления в канале выхода газа 22 в режиме переменных нагрузок.
Для расширения функциональных возможностей регулятора, обеспечения его устойчивой работы при малых расхода газа, предотвращения залипания клапана-штока 27 и снижения автоколебаний геометрия дроссельного канала задается таким образом, чтобы при малых расходах а, следовательно, и малых проходных сечениях дроссельного канала, перемещение клапана-штока 27 не приводило к существенному изменению проходного сечения дроссельного канала. Это обеспечивается профилированием поверхностей дроссельного канала, а именно изменением протяженности цилиндрической поверхности 31 клапана-штока 27, изменением угла конусности конической поверхности 32 клапана-штока 27, изменением толщины выступа L профилированного и возможном присутствием в газе различных абразивных частиц, происходит эрозия элементов дроссельного канала. Элементы дроссельного канала: накидная гайка 8, профилированное кольцо 2, клапан-шток 27 изготавливаются из износоустойчивого материала и позволяют проводить их демонтаж и замену, что повышает ресурс регулятора и надежность его работы, а также позволяют увеличивать или уменьшать диапазон регулирования по расходу.
Применение легко заменяемых элементов дроссельного канала увеличивает ресурс работы регулятора давления и позволяет расширить его функциональные возможности путем установки элементов дроссельного канала, задающих «новую» геометрию дроссельного канала. Изменение геометрии дроссельного канала обеспечивается путем изменения угла конусности конической поверхности 32, протяженности цилиндрической поверхности 31 клапана-штока 27, толщины выступа L, величины радиуса сопряжения R поверхностей 29 и 31 профилированного кольца 2.
Геометрия дроссельного канала обеспечивается тем, что
дроссельный канал, образуемый профилированным кольцом 2, клапаном-штоком 27, накидной гайкой 8 с деформируемым уплотнением 7, имеет хорошо обтекаемые поверхности;
внешняя 29 и внутренняя 30 поверхности профилированного кольца 2, являющиеся элементом дроссельного канала, имеют радиусы сопряжения.
элементы поверхностей дроссельного канала 31 и 32 со стороны клапана-штока 27 образованы комбинацией конусной и цилиндрической поверхностей.
накидная гайка 8 имеет хорошо обтекаемую поверхность.
При дросселировании газа образуется существенный перепад давлений между каналом входа 1 и каналом выхода 22 (в том числе и сверхкритический перепад давлений), в потоке генерируются колебания, обусловленные отрывными явлениями и автоколебаниями, при этом хорошо обтекаемые поверхности и профилирование дроссельного канала позволяет уменьшить уровень шумов, генерируемых в регуляторе.