УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОТОКА ГАЗА
GAS FLOW CONTROL DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству для контроля потока газа, служащему для автоматического закрывания нижеследующих по потоку газопроводов при превышении определенного максимального расхода, по ограничительной части первого пункта формулы изобретения.
Уровень техники
Устройства для контроля потока газа служат для того, чтобы при повышении потребления газа сверх заданного значения, как это случается, например, при разрывах трубопровода или недопустимо высоких утечках, прерывать подачу газа в газопровод, расположенный ниже по направлению потока. Они имеются во множестве различных вариантов исполнения. Они применяются в трубопроводах, например, перед газовой арматурой, газовыми устройствами и т.д. Чтобы задать номинальный расход или расход срабатывания, при помощи изменяемых упоров приводят в напряженное состояние пружину таким образом, что устройство для контроля потока газа принимает закрытое или открытое положение под влиянием равнодействующей силы предварительного натяжения пружины и силы давления потока газа.
Общим для всех этих вариантов исполнения является то, что они настраиваются на определенный расход срабатывания, т.е. на такой расход газа, при котором устройство для контроля потока газа закрывается. На основании требований безопасности установлены строгие границы для отклонений, обусловленных технологическими допусками.
Вследствие этого они имеют тот принципиальный недостаток, что величина расхода срабатывания относится только к определенному монтажному положению устройства для контроля потока газа, имеющему место при проведении настройки, так как в иных случаях приходится, помимо пружины, учитывать также воздействие собственного веса тарелки клапана и, возможно, прочих комбинируемых с ней деталей. Таким образом, устройства для контроля потока газа, смонтированные в вертикальном положении с направлением вверх, имеют более высокий расход срабатывания, чем при горизонтальном монтаже. Это означает, что должны иметься различные варианты исполнения для разных монтажных положений. Это влечет за собой в свою очередь повышенные издержки производства и хранения.
Устройство для контроля потока газа, которое позволяет обходиться унифицированной юстировкой для разных положений монтажа, известно, например, из патентного документа DE 102005009438 А1. Это устройство для контроля потока газа выполнено так, что ось клапана, образованная седлом клапана, относящейся к седлу клапана заглушкой и направляющей поверхностью для заглушки, расположена под углом к оси корпуса. Благодаря наклонному расположению оси клапана, состоящей из седла клапана, направляющей поверхности и заглушки, относительно оси корпуса, в котором находится клапан, становятся возможными несколько различных положений монтажа, в которых влияние собственного веса подвижных частей на силу упругости идентично, так что во всех этих монтажных положениях расход срабатывания получается один и тот же.
Недостатком такого решения является то, что корпус имеет дополнительное отверстие, наряду со входом газа и выходом газа, которое должно герметично закрываться и в первую очередь должно быть по возможности защищено от манипулирования. Кроме того, конструкция сама по себе очень дорога в изготовлении. Нужно также при монтаже в горизонтальном положении обращать во внимание на то, что наклонная ось клапана должна принимать предписанное для нее положение, чтобы устанавливался заданный при юстировке расход срабатывания. Это часто связано с трудностями - в частности, если корпус должен завинчиваться в трубопровод.
Еще одно устройство для контроля потока газа, которое может применяться с унифицированной юстировкой при разных положениях монтажа, описано в патентном документе DE 102006028466 А1. Здесь седло клапана в корпусе клапана образовано эластичным уплотнительным элементом, к которому в закрытом состоянии прилегает перекрывающий элемент. Благодаря этой мере перекрывающий элемент выполняется более легким, так что обусловленные его весом влияния, которые зависят от положения вмонтирования, минимизируются.
Несмотря на минимизацию веса, при разных положениях вмонтирования вследствие различного воздействия собственного веса движущихся при закрывании деталей, а также вследствие разных условий трения создается колебание того значения расхода срабатывания, которое вписывается в допустимые отклонения, обусловленные технологическими допусками, и таким образом оно уже выходит за эти рамки, так что становятся необходимыми повышенные производственные расходы, чтобы оставаться в пределах максимально допустимых отклонений.
Особенно проблематичным оказывается соблюдение допустимых отклонений расхода срабатывания, когда речь идет об устройствах для контроля потока газа с очень низким перепадом давления, какие требуются, в частности, во внутренней проводке, так как здесь сила упругости должна быть особенно невелика, то есть доля собственного веса тарелки клапана больше.
Не подходит это решение также для тех устройств контроля потока газа, которые имеют функцию демпфирования, чтобы предотвращать закрытие при кратковременных пиках расхода в трубопроводах, включенных после устройства для контроля потока газа. Для осуществления функции сглаживания требуются дополнительные конструктивные расходы, которые влекут за собой также повышение веса.
Кроме того, помещение эластичного уплотнительного элемента в качестве седла клапана является недостатком с точки зрения оптимизации газодинамических характеристик, так как это может приводить к повышенной потере давления.
В патентном документе DE 102007008285 А1 описано устройство контроля потока, не зависящее от его расположения, и соответствующая конструкция соединения. При этом решении предусмотрено средство для повышения скорости потока среды в проточном канале. Благодаря повышенной скорости потока сила, воздействующая на запирающий элемент, увеличивается настолько, что вес запирающего элемента становится мал в сравнении с ней.
Здесь также имеет место минимизация веса, хотя и только относительная. Кроме того, вследствие дополнительного сужения возникают аэродинамические проблемы, в частности, более высокий перепад давления, что приводит к уже описанным выше недостаткам.
Из уровня техники также известен ограничитель расхода, описанный в патентном документе US 3918481. В корпусе в виде трубы размещена заглушка, соединенная за одно целое с валом, диаметр которого уменьшается в направлении вниз по потоку и который направляется в ввертной детали, при этом заглушка в своем нормальном рабочем положении опирается под воздействием запирающей пружины на вкладыш, причем газ может протекать через щели, расположенные между вкладышем и заглушкой. При возникновении повышенного расхода газа заглушка приподнимается со своего седла, вследствие чего зазор между валом и ввертной деталью уменьшается, так что расход газа ограничивается.
При таком исполнении применение описанного выше ограничителя расхода при одинаковом значении запирающего расхода в разных положениях монтажа невозможно.
Раскрытие изобретения
В основе данного изобретения лежит задача разработки такого устройства упомянутого вида для контроля потока газа, в котором расход срабатывания имеет одно то же значение в разных монтажных положениях. Кроме того, устройство должно подходить для незначительных значений перепадов давления. Его конструкция и изготовление должны быть как можно более простыми.
Согласно изобретению проблема решена благодаря тому, что в устройстве для контроля потока газа с газонепроницаемым, т.е. герметичным корпусом, внутри которого имеется седло клапана для подвижной в осевом направлении заглушки (запорного элемента), удерживаемой силой упругости в открытом положении против направления потока, зазор в месте опоры имеет больший размер в открытом положении и непрерывно сужается при начале движения закрытия.
Тем самым найдено решение, при котором устраняются вышеназванные недостатки уровня техники. При этом решении становятся возможными и горизонтальное положение монтажа корпуса устройства для контроля потока газа, и вертикальное положение монтажа с направлением течения вверх. Эти два монтажных положения можно рассматривать как характерные для большинства всех случаев монтажа.
Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления изобретения следуют из других пунктов формулы изобретения.
Так, для простоты изготовления оказывается предпочтительным, если в устройстве для контроля потока газа упомянутого вида сужение зазора в месте опоры с началом закрытия происходит при помощи скоса, который выполнен таким образом, что для поднимания заглушки против движения закрытия, при горизонтальном монтажном положении устройства для контроля потока газа, требуется примерно такая же сила, как и при вертикальном положении монтажа устройства для контроля потока газа при направленном вверх потоке.
Следующий предпочтительный вариант осуществления изобретения получается, если заглушка жестко связана со стержнем, который установлен в корпусе. Этот вариант осуществления согласно изобретению подходит, в частности, также для тех устройств контроля потока газа, которые имеют функцию демпфирования. Эта функция демпфирования всегда желательна в тех случаях, когда в трубопроводах, включенных после устройства для контроля потока газа, возможно возникновение кратковременных пиков расхода, которые настолько выше нормального значения потребления, что превышается заданный расход срабатывания. Как пример упомянем здесь только газовые устройства, которые переключаются внезапно открывающимся клапаном с электромагнитным переключением. Благодаря этой функции демпфирования даже при заданном расходе срабатывания, лишь ненамного отличающимся от среднего уровня потребления, что желательно из соображений безопасности, не происходит нежелательного закрытия устройства для контроля потока газа.
Для этого направляющая поверхность имеет цилиндрическое расширение, которое с торцевой стороны закрыто колпачком. В этот объем, образованный расширением и колпачком, входит стержень, связанный поворотным соединением с поршнем демпфера, который проходит по внутренней стенке с возможностью перемещения в продольном направлении. В результате достигается разделение этого объема, и при наступлении пика расхода выравнивание объемов, необходимое при движении заглушки, в месте дросселирования, образованном поршнем демпфера и внутренней стенкой, приводит к тому, что устройство для контроля потока газа не закрывается резко внезапно. После спада пика потока заглушка снова приводится пружиной в ее открытое положение.
Следующий предпочтительный вариант осуществления изобретения получается, если заглушка расположена на стержне, жестко связанном с корпусом. Этот вариант исполнения оказывается особенно благоприятным, если речь идет об устройствах для контроля потока газа, оборудованных так называемым отверстием для перелива, которое делает возможными автоматическое повторное открывание после устранения причины закрытия. Здесь кольцеобразный зазор, существующий между стержнем и заглушкой, по меньшей мере для закрытого положения формируется таким образом, что он образует необходимое отверстие для перелива.
Другой возможный вариант осуществления состоит в том, что корпус имеет направляющие ребра для заглушки, установленной с возможностью перемещения в осевом направлении. Это исполнение отличается тем, что заглушка выполнена особенно легкой. Кроме того, корпус и заглушка очень хорошо подходят для изготовления их из пластмассы. К тому же в заглушке очень легко и с очень высокой точностью выполняется желаемое отверстие для перелива.
Краткий комментарий к фигурам чертежей
Примерные варианты осуществления устройства согласно изобретению для контроля потока газа более подробно описываются ниже на примерах вариантов осуществления. При этом показаны:
фиг. 1 устройство согласно изобретению для контроля потока газа в открытом положении при вертикальном положении монтажа,
Фиг. 2 устройство согласно изобретению для контроля потока газа с функцией сглаживания, в открытом положении при горизонтальном положении монтажа,
фиг. 3 увеличенный фрагмент А с фиг. 2,
Фиг. 4 устройство согласно изобретению для контроля потока газа с функцией сглаживания в закрытом положении при горизонтальном положении монтажа,
фиг. 5 еще один вариант исполнения устройства согласно изобретению для контроля потока газа с функцией сглаживания в открытом положении при горизонтальном положении монтажа,
Фиг. 6 следующий вариант исполнения устройства согласно изобретению для контроля потока газа в открытом положении при горизонтальном положении монтажа,
фиг. 7 схематичное изображение исполнения устройства согласно изобретению для контроля потока газа в открытом положении при горизонтальном положении монтажа,
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан в открытом положении первый вариант осуществления устройства согласно изобретению для контроля потока газа. Устройство для контроля потока газа представлено в вертикальном положении монтажа. Оно имеет корпус 1 в виде трубы, который вставляется в не показанный газопровод. Чтобы обеспечивать необходимую плотность соединения между газопроводом и корпусом 1, корпус 1 имеет проходящий по окружности паз 2 для кольца круглого сечения, также не показанного. Само собой разумеется, что возможно также другое соединение.
В показанном стрелкой 3 направлении через корпус 1 протекает газ. Примерно в середине корпус 1 имеет сужение, которое на стороне, обращенной к месту входа газа, выполнено в виде седла 4 клапана. На конце корпуса 1, находящемся на стороне выхода, расположена направляющая 5, которая имеет отверстия для прохождения потока газа, образованные несколькими радиальными перемычками 6. Посредством этих перемычек 6 направляющая 5 соединена с корпусом 1, в этом варианте осуществления - привинчена к нему.
В направляющей 5 имеется проходящее в осевом направлении центральное сквозное отверстие 7, выполненное, по меньшей мере, частично, в виде направляющего отверстия 8 для перемещаемого в продольном направлении стержня 9, который имеет упор 14 на своем конце, обращенном в сторону выхода. На конце стержня 9 со стороны входа укреплена, например, посредством посадки с натягом заглушка (запорный элемент) 10 в форме тарелки. Для достижения желаемой плотности при закрытом положении устройства для контроля потока газа заглушка 10 имеет кольцеобразный паз для уплотнительного кольца 11, которое служит в качестве эластичного уплотнительного элемента. К стороне заглушки 10, обращенной к корпусу 1, прилегает пружина 12, которая другим своим концом опирается на настроечный элемент 13, расположенный на направляющей 5 с возможностью регулирования его положения, в этом примере - путем завинчивания. Под действием силы пружины 12 упор 14 прилегает к направляющей 5 и таким образом ограничивает максимальный ход при открывании заглушки 10.
Как видно из фиг. 1, стержень 9 имеет сужение 15, которое при открытом положении устройства для контроля потока газа перекрывает область направляющего отверстия 8. Находящаяся вне направляющего отверстия 8 область перехода, которая с началом закрывающего движения заглушки 10 входит в отверстие 8, выполнена в форме скоса 16, что обеспечивает постепенный (непрерывный) переход.
В качестве дальнейшего примера осуществления на фиг. 2 показан измененный вариант исполнения устройства согласно изобретению для контроля потока газа, также в открытом положении. На этот раз, однако, в горизонтальном положении монтажа. Устройство для контроля потока газа имеет функцию сглаживания, которая делает его менее восприимчивым к колебаниям. Необходимость соответствующей системы уже была отмечена выше.
Как можно видеть, продольная ось седла 4 клапана и продольная ось заглушки 10, которая при показанном в этом варианте осуществления жестком соединении между стержнем 9 и заглушкой 10 идентична продольной оси стержня 9, не совпадают. Из представленного на фиг.3 в увеличенном виде фрагмента А с фиг. видно, что уже описанное выше сужение 15 в направляющем отверстии 8 прилегает с одной стороны к опоре 21 и таким образом вызывает изменение положения заглушки 10.
При начале движения закрывания скос 16 скользит в направляющее отверстие 8 и вызывает приподнимание заглушки 10, до тех пор пока продольные оси седла 4 клапана и заглушки 10 не становятся примерно идентичными.
При этом скос 16 выполнен так, что сила, необходимая для его преодоления, примерно соответствует силе, складывающейся из веса подвижных деталей, в данном случае заглушки 10 и стержня 9, при вертикальном положении монтажа устройства для контроля потока газа и при направленном вверх потоке газа.
В результате получено желаемое решение, обеспечивающее то, что расход срабатывания устройства для контроля потока газа имеет приблизительно одинаковое численное значение в обоих показанных положениях монтажа.
Помимо конструкции, в остальном принципиально такой же, как и в устройстве для контроля потока газа, представленном на фигуре 1, направляющая 5 имеет на стороне, противоположной корпусу 1, цилиндрическое расширение 17, которое на торце закрыто колпачком 18. Стержень 9, входящий в пространство 19, образованное расширением 17 и колпачком 18, проводится в продольном направлении вдоль внутренней стенки посредством упора 14. При этом упор 14 и внутренняя стенка формируют кольцеобразный зазор 20, который образует место дросселирования для необходимого выравнивания объемов при движении заглушки 10. Вследствие этого краткосрочный пик расхода, значение которого превышает расход срабатывания, не приводит к внезапному закрытию устройства для контроля потока газа, а только вызывает начало замедленного движения закрытия. После спада пика расхода заглушка 10 снова приводится пружиной 12 в открытое положение. Но если все же расход срабатывания превышается в течение более длительного периода, как случается при протечке, то устройство для контроля потока газа приводится в закрытое положение, каким оно представлено на фиг. 4.
Чтобы избегать возможных проблем при обеспечении уплотнения из-за перекоса стержня 9, в варианте на фиг. 4, видоизмененном по сравнению с фиг. 3, упор 14 укреплен на стержне 9 с возможностью поворота. Это осуществляется, как показано, благодаря тому, что вдающийся в пространство 19 конец стержня 9 выполнен в виде шара 22, который частично охватывается язычками 23.
Следующий модифицированный вариант осуществления представлен на фиг. 5. Здесь так же, как и в примере, показанном на фиг. 3, идет речь об устройстве для контроля потока газа, которое оснащено функцией демпфирования. Здесь предлагается не вызывать изменение положения заглушки 10 посредством сужения 15 стержня 9, а использовать для этого демпферный элемент.
С этой целью цилиндрическое расширение 17 в той области, где находится упор 14 при открытом положении устройства для контроля потока газа, имеет проходящую по окружности выемку 24, которая после скоса 16 снова сужается до первоначального размера.
Здесь, при горизонтальном положении монтажа, из-за большего зазора это также приводит к изменению положения заглушки 10, которая жестко связана со стержнем 9, до тех пор, пока упор 14 не прилегает к опоре 21. При начале движения закрывания упор 14 по скосу 16 скользит в пространство 19 и вызывает приподнимание заглушки 10.
На фиг. 6 показан, снова в горизонтальном положении монтажа, вариант исполнения устройства для контроля потока газа, при котором стержень 9 жестко связан с корпусом 1. Заглушка 10 расположена на стержне 9 с возможностью перемещения в осевом направлении и под действием силы пружины 12 прилегает к жестко закрепленному на стержне 9 диску 25, вследствие чего установлено открытое положение.
В области нахождения заглушки 10 на стержне 9 при открытом положении последний имеет сужение 15, которое оканчивается скосом 16, примыкающим к сужению вне опорного участка заглушки 10. В сужении 15 заглушка 10 вследствие горизонтального положения монтажа опирается одной стороной. При начале движения закрывания заглушка 10 скользит в свое закрытое положение по скосу 16, при этом она приподнимается.
При этом скос 16 выполнен таким образом, что сила, необходимая для его преодоления, примерно соответствует той силе, которая вызвана весом единственной в данном случае подвижной части, заглушки 10, при вертикальном положении монтажа устройства для контроля потока газа и при направленном вверх потоке газа.
В благоприятном случае требуемый при этом варианте исполнения кольцевой зазор между стержнем 9 и заглушкой 10 по меньшей мере в этом положении выполнен так, что он образует необходимое отверстие перетекания для автоматического повторного открывания после устранения причины закрытия.
Схематичное изображение следующего варианта исполнения устройства для контроля потока газа согласно изобретению в открытом положении при горизонтальном положении монтажа представлено на фиг. 7. Внутри корпуса 1 имеется проходящий по окружности паз 26, в котором оперто в осевом направлении уплотнительное кольцо 27, служащее в качестве седла клапана. Далее, внутри корпуса 1 в направлении течения после уплотнительного кольца 27 расположены ребра 33, в этом варианте осуществления 6 штук, на торцевых сторонах которых, обращенных к кольцу круглого сечения, образована опора 28 для упирающейся в них пружины 12. Другая сторона пружины 12 воздействует в направлении открывания на заглушку 10, которая помещена с возможностью перемещения в осевом направлении на выполненных в корпусе 1 направляющих ребрах 29, также 6 штук, по направляющему контуру 31 и опирается концом на отогнутый внутрь зацеп 30.
Образованный направляющими ребрами 29 направляющий контур 31 в той области, где при открытом положении находится заглушка 10, имеет выемку 24, которая переходит в направляющий контур 31 через скос 16.
Заглушка 10 здесь также в открытом положении на основании горизонтального положения монтажа одной стороной опирается в выемке 24 и с началом движения закрывания приподнимается, чтобы затем будучи направляемой направляющим контуром 31 прийти в не показанное закрытое положение.
Этот вариант исполнения особенно хорошо подходит для изготовления из пластмассовых деталей и отличается простотой. В частности, заглушка 10 имеет очень незначительный вес. Кроме того, при этом исполнении имеется возможность очень просто и с очень высокой точностью выполнить в заглушке 10 желаемое отверстие 32 для перетекания.
Перечень условных обозначений
1. корпус
2. паз
3. стрелка направления
4. седло клапана
5. направляющая
6. перемычка
7. сквозное отверстие
8. направляющее отверстие
9. стержень
10. заглушка
11. уплотнительное кольцо
12. пружина
13. настроечный элемент
14. упор
15. сужение
16. скос
17. расширение
18. колпачок
19. внутреннее пространство
20. кольцеобразный зазор
21. опора
22. шар
23. язычок
24. выемка
25. диск
26. паз
27. уплотнительное кольцо
28. опора
29. направляющее ребро
30. зацеп
31. направляющий контур
32. отверстие для перетекания
33. ребро