РАЗГРУЖЕННЫЙ СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

Полезная модель относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использовано во всех отраслях техники для обеспечения эффективной защиты технологических трубопроводов, газопроводов, паропроводов, воздуховодов от статистических и динамических нагрузок, возникающих при температурных деформациях, вибрациях, присоединяемых к амортизируемым механизмам в качестве виброизолирующего элемента.
Известно, что при создании современных энергетических установок с высокими параметрами рабочей среды возникает необходимость создания средств защитной амортизации, одним из элементов которой является сильфонный компенсатор. Сильфонный компенсатор в своем конструктивном исполнении содержит элементы, которые компенсируют деформации, возникающие от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, воспринимают знакопеременные статические и динамические деформации (осевое растяжение - сжатие, сдвиг и изгиб), уменьшают уровень вибрации, передающийся по трубопроводу, и гидравлическое сопротивление компенсатора. Снижение нагрузок на трубопровод наиболее актуально в конструкции компенсаторов, установленных на трубопроводах тепловых электростанций (ТЭЦ, ГРЭС), паропроводах атомных электрических станций (АЭС). Конструкция компенсаторов разгруженного типа призвана исключить передачу распорного усилия на трубопровод, возникающего при подаче давления, иметь наименьшую величину жесткости, меньший габарит и меньшую массу для выполнения сжатой компоновки систем трубопроводов без дополнительных дорогостоящих неподвижных опор, сдерживающих распорные усилия. В разработанных и поставляемых промышленностью разгруженных сильфонных компенсаторах необходимо выполнять равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов, где боковые сильфоны приварены к присоединительному патрубку трубопровода и имеют, к примеру, условный диаметр Ду 400, а средний сильфон при выполнении данной зависимости будет иметь значения условного диаметра Ду 800, в связи с чем данная конструкция требует дополнительного габарита, для ее размещения на трубопроводе, и соответственно выполнения переходных толстостенных колец (фланцев) между боковыми и средним сильфоном, так как здесь возникают значительные усилия (плечо), что становится технически и экономически нецелесообразным из-за значительного увеличения весогабаритных характеристик и стоимости конструкций, а также в ряде случаев невозможного их изготовления промышленностью.
Известна конструкция разгруженного сильфонного компенсатора, состоящая из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов и изолирующих элементов, присоединительная (концевая) арматура конструкции компенсатора - фланцы. Разгрузочные тяги установлены по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона и попарно соединяют внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами (RU, патент №2084749, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 14.11.1995 г., опубл. 20.07.1997 г.). В известной конструкции описано устройство сильфонного компенсатора, предназначенного для восприятия деформаций, возникающих от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, а также для снижения вибрационных и динамических нагрузок, передающихся от амортизированных энергетических установок.
Существенным недостатком известной конструкции сильфонного компенсатора является применение разгрузочных тяг, которые не позволяют в большей степени снизить нагрузки, передаваемые на фланцы компенсатора и уменьшить его габаритные размеры и массу. Установка изолирующих элементов внутри полости среднего сильфон приводит к большой погрешности равенства эффективных площадей сильфонов при фактическом изготовлении компенсатора, что снижает надежность и работоспособность компенсатора, так как отклонения значения эффективной площади сильфонов приводят к нарушению условия разгруженности компенсатора. Кроме того, значительным недостатком конструкции компенсатора является наличие большого количества сильфонов, значительно увеличивающих осевую жесткость изделия, которая складывается из жесткостей каждого сильфона.
Наиболее близким техническим решением является конструкция разгруженного компенсатора, принятого в качестве прототипа, состоящего из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей. Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона осуществляется соединительным патрубком (трубой) с двумя вырезами ее четвертой части позволяющая избежать нагрузки (величины изгибающего момента) на фланцы от внутреннего давления рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. При такой связи отпадает необходимость увеличения наружного диаметра боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг и шарнирных узлов. Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона может осуществляться соединительным патрубком (трубой) с двумя и более вырезами ее частей. Соединительные патрубки (трубы) с левой и правой стороны компенсатора повернуты относительно друг друга на угол 90° (RU, патент №104662, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 28.07.2010 г., опубл. 20.05.2011 г.). Равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов обеспечивает разгрузку сильфонного компенсатора. Это достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды. Дополнительные изолирующие элементы конструкции исключаются. Если сумма всех распорных усилий равна нулю, компенсатор не передает при эксплуатации усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.
Недостатком этой конструкции компенсатора является применение трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, который не позволяет в большей степени уменьшить габаритные размеры и массу компенсатора из за большого габарита среднего сильфона, а также это приводит к большой погрешности равенства эффективных площадей сильфонов при фактическом изготовлении компенсатора, что влияет на надежность и работоспособность компенсатора. Также конструкция имеет высокую осевую жесткость, т.к. она складывается из жесткостей всех трех сильфонов.
Задачей данного технического решения является уменьшение габаритных размеров, массы сильфонного компенсатора, уменьшение погрешности равенства эффективных площадей сильфонов, повышение его надежности и работоспособности при эксплуатационных нагрузках, и уменьшение жесткостных характеристик изделия.
Поставленная задача достигается тем, что разгруженный сильфонный компенсатор, содержащий два одинаковых соосных сильфона с равной эффективной площадью, связанных с концевыми патрубками, один из сильфонов закреплен на одном из концевых патрубков, защитный кожух, установленный над сильфонами, предохраняющий их от наружных повреждений, компенсатор дополнительно снабжен герметичным коробом с размещенным в нем другим сильфоном и скреплен с радиальными ребрами, жестко связанными с концевыми патрубками, при этом герметичный короб сообщен с окружающей средой посредством трубки, проходящей через кожух, а установленный на одном из концевых патрубков сильфон жестко связан с защитным кожухом.
Снабжение компенсатора герметичным коробом с размещением в нем сильфона и скреплением его с радиальными ребрами, жестко связанными с концевыми патрубками, а также сообщение герметичного короба с окружающей средой посредством трубки, проходящей через кожух, и установление на одном из концевых патрубков сильфона, жестко связанного с защитным кожухом, обеспечивает значительное уменьшение габаритов, массы и жесткость сильфонного компенсатора, которая в представленной конструкции считается как сумма жесткостей двух сильфонов, и соответственно уменьшается погрешность равенства площадей при фактическом изготовлении изделия и соответственно повышается надежность и работоспособность работы при эксплуатационных нагрузках. При размещении в конструкции компенсаторов двух сильфонов и направлении давления транспортируемой среды на них с наружной стороны исключается необходимость в установки третьего - среднего сильфона с эффективной площадью равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов (т.е. в два раза большим диаметром).
Короб с сильфоном имеет внутри давление равное атмосферному по средству соединения отверстия в коробе с отверстием в кожухе трубкой. В предложенной конструкции давления транспортируемой среды на оба сильфона компенсатора воздействует с наружной стороны, имея с внутренней стороны сильфонов давление равное атмосферному.
Условия разгруженности соблюдается за счет разнонаправленности распорных усилий сильфонов, равенства эффективных площадей двух сильфонов, расположенных на одной оси, и распределения давления транспортируемой среды с помощью представленной конструкции с воздействием давления на сильфоны с наружной стороны. При воздействии давления на сильфоны с наружной стороны оба сильфона пытаются сжаться, и, имея одинаковые эффективные площади и расположение на одной оси тем самым компенсируют свои распорные усилия.
Компенсатор разгруженный поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлен разгруженный сильфонный компенсатор, продольный разрез,
- на фиг. 2 - общий вид компенсатора в аксонометрии.
Разгруженный сильфонный компенсатор состоит из концевых патрубков 1 и 2, соединенных через радиальные ребра 3 с герметичным коробом 4 с сильфоном 5 (фиг. 1, 2). На концевом патрубке 1, жестко соединенный с защитным кожухом 6, закреплен сильфон 7. Кожух 6 установлен над сильфонами 5 и 7, предохраняет их от наружных повреждений. Сильфоны 5 и 7 одинаковы по размерам, эффективные площади их равны и установлены на одной оси. Герметичный короб 4 сообщен с окружающей средой (атмосферой) трубкой 8, проходящей через кожух 6. Сильфоны 1 и 2 расположены на одной оси компенсатора. Компенсатор установлен на трубопроводе посредством концевых патрубков 1 и 2 (не показано).
Компенсатор работает следующим образом.
При изменении температуры теплоносителя, протекающего по трубопроводу, возникают тепловые расширения трубопровода, которые передаются на концевые патрубки 1 и 2 сильфонного компенсатора. Тепловые расширения трубопровода приводят к перемещению концевых патрубков 1, 2 и сильфонов 5 и 7. При этом сильфон 7, установленный на концевом патрубке 1, растягивается, а сильфон 5, установленный в герметичном коробе 4 через радиальные ребра 3, сжимается. Распорные усилия, возникающие внутри компенсатора, компенсируются за счет расположения сильфонов 5 и 7 на одной оси компенсатора равных эффективных площадей нагруженных наружным давлением и выполняющих перемещения одним сильфоном - растяжение, другим сильфоном - сжатие. Сильфоны 5 и 7 разнонаправлено компенсируют расширение трубопровода. Условие уравновешенности распорных усилий достигается за счет разнонаправленности распорных усилий сильфонов 5 и 7. Вследствие чего компенсатор не передает приходящие усилия трубопровода на дальнейший участок за разгруженным сильфонным компенсатором. Данная конструкция компенсатора была изготовлена, проведенные испытания при подаче давления показали положительный результат, изделия выполнило условия разгруженности.
Таким образом, предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволяет воспринимать статические и динамические деформации (сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), вызванные тепловыми расширениями трубопровода, погрешностью монтажа и вибрацией амортизированных механизмов. Обеспечивает получение компенсаторов с меньшими габаритными размерами и массой, меньшей жесткостью и погрешностью равенства эффективных площадей сильфонов и повышенной надежностью. Кроме того, конструкция разгруженного сильфонного компенсатора позволит найти новое решение в качестве гибкого виброизолирующего элемента в паропроводах АЭС с высокими параметрами рабочей среды при создании современных энергетических установок, а также обеспечит перспективу широкого использования конструкции в газовой, нефтяной и других отраслях промышленности.