РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА (ВАРИАНТЫ)
GAS PRESSURE CONTROLLER (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использовано 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, стр.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 G05D16/10, 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 техническим решением (прототипом) является регулятор давления непрямого действия, содержащий полости входа и выхода газа, цилиндрический корпус с внутренней перегородкой, регулирующий орган в виде подвижного поршневого клапана, поджатого к седлу относительно перегородки, чувствительный элемент в виде поршня, перемещающегося между перегородкой и задней крышкой корпуса, разгрузочной полости, полости управляющего и выходного давлений, патрубка в виде приемника полного давления, снабженного каналами перепуска (патент РФ №2141128, МПК G05D 16/10, опубл. 1999.11.10).
Данное устройство обладает недостаточной точностью поддержания выходного давления при быстрой смене режимных параметров, при внезапном запуске, резком повышении давления, резком изменении расхода газа, поскольку регулятор содержит упругий элемент (пружину), которая 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 надежности работы и точности поддержания выходного давления.
Технический результат достигается тем, что в регуляторе давления (вариант 1), содержащем каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, новым является то, что полость управляющего давления сообщена с системой 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.
В регуляторе давления (вариант 2), содержащем каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, новым является то, что регулятор снабжен устройством демпфирования колебаний, которое включает демпфирующую полость с поршнем, разделяющим ее на две части и жестко связанным со штоком, при этом в поршне установлены жиклеры, кроме того, полость управляющего давления сообщена с системой командного давления.
По вариантам 1 и 2 в хвостовой части штока образована дополнительная разгрузочная полость, сообщенная с каналом входа газа, при этом разгрузочная полость и дополнительная разгрузочная полость сообщены с каналом входа газа посредством сквозного осевого канала в штоке, соединенного с отверстием отбора давления, а поршневой клапан поджат к седлу возвратной пружиной.
На фиг.1 представлен продольный разрез регулятора давления (вариант 1).
На фиг.2 - разделительная емкость: а) разделительная емкость с вялой мембраной; б) с сильфоном; в) с мембранной коробкой.
На фиг.3 - продольный разрез регулятора давления (вариант 2).
Здесь: 1 - канал входа газа; 2 - канал выхода газа; 3 - корпус; 4 - задняя крышка; 5 - шток; 6 - поршневой клапан; 7 - регулирующий поршень; 8 - разгрузочная полость; 9 - полость управляющего давления; 10 - полость выходного давления; 11 - система командного давления; 12 - разделительная емкость устройства демпфирования (вариант 1); 13 - жиклер устройства демпфирования (вариант 1); 14 - вялая мембрана; 15 - сильфон; 16 - мембранная коробка соответственно устройства демпфирования (вариант 1); 17 - полость устройства демпфирования (вариант 2); 18 - поршень устройства демпфирования (вариант 2); 19 - жиклеры устройства демпфирования (вариант 2); 20 - дополнительная разгрузочная полость; 21 - сквозной осевой канал в штоке 5; 22 - отверстие отбора статического давления; 23 - седло; 24 - возвратная пружина; 25 - неподвижная втулка.
Регулятор давления содержит каналы входа 1 и выхода 2 газа, корпус 3 с задней крышкой 4. Внутри корпуса 3 на штоке 5, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан 6, сообщающий каналы входа 1 и выхода 2 газа, и регулирующий поршень 7, герметично разделенные между собой посредством неподвижной втулки 25 с образованием соответственно разгрузочной полости 8 и полости управляющего давления 9. Возвратная пружина 24, опираясь на неподвижную втулку 25, поджимает поршневой клапан 6 к седлу 23. Между регулирующим поршнем 7 и задней крышкой 4 корпуса 3 образована полость выходного давления 10, при этом разгрузочная полость 8 сообщена с каналом 1 входа газа, полость управляющего давления 9 сообщена с системой командного давления 11, полость выходного давления 10 сообщена с каналом 2 выхода газа.
По варианту 1 (фиг.1) полость управляющего давления 9 сообщена с системой командного давления 11 газа посредством системы демпфирования. Система демпфирования включает разделительную емкость 12 с газовой и гидравлической полостями и жиклер 13, при этом газовая полость сообщена с системой командного давления газа 11, а гидравлическая через жиклер 13 - с полостью управляющего давления 9. В разделительной емкости 12 газовая и гидравлическая полости разделены посредством вялой мембраны 14, или сильфона 15, или мембранной коробки 16 (фиг.2, а), б), в).
По варианту 2 (фиг.3) шток 5 снабжен устройством демпфирования колебаний. Устройство демпфирования включает демпфирующую полость 17 с поршнем 18, разделяющим ее на две части и жестко связанным со штоком 5, при этом в поршне установлены жиклеры 19. Полость управляющего давления сообщена с системой командного давления.
По вариантам 1 и 2 в хвостовой части штока 5 образована дополнительная разгрузочная полость 20, сообщенная с входным каналом 1 газа, при этом разгрузочная полость 8 и дополнительная разгрузочная полость 20 сообщены с каналом 1 входа газа посредством сквозного осевого канала 21 в штоке 5, соединенного с отверстием отбора статического давления 22, а поршневой клапан 6 поджат к седлу 23 возвратной пружиной 24.
Регулятор давления работает совместно с системой командного давления газа 11, 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 11 настраивается на определенное заданное давление. По варианту 1 газ с заданным давлением поступает в разделительную емкость 12 и через разделительную жидкость передается в полость управляющего давления 9. По варианту 2 газ с заданным давлением поступает непосредственно в полость управляющего давления 9. Под действием управляющего давления регулирующий поршень 7 перемещается и через жестко связанный со штоком 5 поршневой клапан 6 открывает регулятор давления. Редуцирование газа происходит при прохождении его через кольцевую щель, образующуюся между поршневым клапаном 6 и седлом 23. В процессе работы возможна дополнительная коррекция величины управляющего давления для выбора того или иного режима работы регулятора по выходному давлению, величина которого задается потребителем газа. При увеличении расхода потребляемого газа давление в канале 2 выхода газа уменьшается, что приводит к снижению давления в полости выходного давления 10 и перемещению регулирующего поршня 7 и увеличению кольцевой щели между поршневым клапаном 6 и седлом 23, и, следовательно, увеличивается расход газа. Регулирующий поршень 7 перемещается до тех пор, пока не установится равновесие, соответствующее заданному выходному давлению при новом расходе. При уменьшении расхода потребляемого газа давление в канале 2 выхода газа повышается, что приводит к обратному перемещению регулирующего поршня 7 и уменьшению кольцевой щели между поршневым клапаном 6 и седлом 23. Возникающие в системе колебания, обусловленные жесткостью возвратной пружины 24 и пульсацией давления в каналах входа 1 и выхода 2, гасятся за счет системы демпфирования.
По варианту 1 система демпфирования включает разделительную емкость 12 с гидравлической и газовой полостями и жиклер 13. Демпфирование колебаний происходит за счет гидравлического сопротивления жиклера 13 при перетекании жидкости из разделительной емкости 12 в полость управляющего давления 9 через жиклер 13 как в прямом, так и в обратном направлениях.
По варианту 2 демпфирование колебаний происходит за счет создания дополнительной демпфирующей полости 17, заполненной жидкостью, внутри которой размещен поршень 18 с жиклерами 19, при этом поршень 18 жестко связан со штоком 5. Демпфирование колебаний происходит за счет создания гидравлического сопротивления жиклеров 19 при перетекании жидкости из одной части демпфирующей полости 17 в другую через жиклеры 19.
Разгрузочная полость 8 и дополнительная разгрузочная полость 20, сообщенные с каналом 1 входа газа, служат для разгрузки поршневого клапана 6, что также способствует снижению его колебаний. Разгрузочная полость 8 и дополнительная разгрузочная полость 20 сообщены с каналом 1 входа газа посредством сквозного осевого канала 21 в штоке 5, сообщенного с отверстием 22 отбора статического давления. Такой способ отбора давления снижает вероятность попадания твердых и жидких включений газового потока в отверстие отбора статического давления 22, что повышает надежность работы регулятора давления.
Наличие демпфирующего устройства позволяет повысить надежность работы и точность поддержания выходного давления в динамических условиях эксплуатации - быстрая смена потребляемого расхода, внезапная подача давления на вход регулятора.