Гидровытеснитель сильфонный для гипербарических установок жидкостного дыхания

Полезная модель относится к гидравлическому оборудованию, а именно к объемным гидромашинам, и может быть использована для передачи энергии одной рабочей среды другой рабочей среде без их соприкосновения между собой, например, в гидрофицированных гипербарических испытательных установках (камерах).
В соответствии с ГОСТ 17752-81, гидровытеснитель (пневмовытеснитель, пневмогидровытеснитель), это объемная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии одного потока рабочей среды в энергию другого потока без изменения значения давления.
Известны конструкции пневмовытеснителей (гидровытеснителей) с жесткими или упругими (гибкими) разделителями рабочих сред, функции которых выполняют соответственно поршни и мембраны (Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. Под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 64, глава 3, раздел 3.1. Пневмовытеснители). Поршневые гидровытеснители не обеспечивают надежную герметизацию впускной и выпускной полостей, а, следовательно, надежное разделение рабочих сред, которые при высоких давлениях могут перетекать из полости в полость через гарантированный зазор между поршнем и поверхностью полости, а гидровытеснители с плоскими металлическими мембранами или плоскими эластичными мембранами, допускающими весьма незначительные по величине прогибы, не обеспечивают нужные объемы вытесняемой рабочей среды.
Конструкция пневмовытеснителя мембранного типа для подачи рабочей жидкой среды в бесштоковую полость гидроцилиндра одностороннего действия (Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. Под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 64, рис. 3.1), выполнена на базе сборного цилиндрического корпуса, состоящего из двух соосно и оппозитно расположенных и соединенных между собой чашек с фланцами по краю и защемленной между ними по периметру фигурной эластичной мембраны, выполняющей функции разделителя рабочих сред, находящихся в образованных мембраной и чашками герметичных полостях, одна из которых, впускная, соединена с помощью отверстия в донной части чашки с трубопроводом для подвода рабочей среды в виде сжатого воздуха, а другая, выпускная, с находящейся в ней другой рабочей средой в виде жидкости (машинного масла), соединена с бесштоковой полостью гидроцилиндра одностороннего действия с пружиной возврата поршня со штоком в исходное положение. При подаче сжатого воздуха во впускную полость, фигурная эластичная мембрана прогибается и вытесняет находящуюся в выпускной полости жидкость в бесштоковую полость гидроцилиндра, вызывая перемещение (выдвижение) поршня со штоком и сжатие пружины. При отключении подачи сжатого воздуха поршень со штоком под действием разжимающейся пружины возвращается в исходное положение, вытесняя жидкость из бесштоковой полости в выпускную полость корпуса, вызывыая возврат мембраны в исходное положение.
Существенным недостатком данной конструкции следует считать отсутствие в его составе конструктивного элемента, обеспечивающего как возврат фигурной мембраны в исходное положение, так и возврат в выпускную полость вытесненного объема рабочей среды, без чего невозможно повторить цикл вытеснения. Для этой цели используется возвратная пружина гидроцилиндра, т.е прототип лишен автономности -функциональной независимости от другого оборудования. Если использовать прототип для подачи рабочей среды, например, в отдельно расположенную испытательную камеру, не имеющую в своем составе специального механизма вытеснения из нее рабочей среды обратно в выпускную полость пневмовытеснителя, невозможно осуществить возврат мембраны в исходное положение и надежное заполнение выпускной полости необходимым количеством (объемом) рабочей среды, обеспечивающим при повторении цикла вытеснения заданные параметры рабочей среды, поступающей в испытательную камеру (расход, давление), необходимые для проведения исследований.
Из вышеизложенного следует, что конструкция имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку не обеспечивает при многократном повторении рабочего цикла надежное вытеснение заданного количества (объема) рабочей среды при использовании в составе различных гидравлических систем и установок.
Кроме того, гидровытеснитель такой конструкции нельзя применять в гидросистемах высокого (гипербарического) давлении (свыше 10 МПа), так как обладающий высокой текучестью эластичный материал мембраны, края которой используются для уплотнения стыка между фланцами чашек, образующих корпус, не может обеспечить надежную герметизацию полостей с рабочими средами и устранить их утечки, поскольку при сжатии фланцев чашек в процессе их соединения этот материал будет выдавливаться из открытого в сторону полости зазора.
В качестве прототипа взята приведенная в патенте GB 2093533 А (Дата публикации 02.09.1982. Transmitting fluid pressure from one fluid to another for use in a sub-sea well head) конструкция преобразователя для определения давления жидкости, содержащая цилиндрический корпус, размещенный внутри него герметично закрытый с одного конца сильфонный узел и приваренные к корпусу соединители (крышки) с патрубками для подвода под давлением двух жидких сред, противодействующих одна другой через сильфон, выполняющий функции разделителя двух жидких сред - сырой нефти и рабочей жидкости.
При поступлении под давлением первой жидкости (сырой нефти) во впускную полость корпуса и в соединенную с ней полость сильфона, последний деформируется в осевом направлении (растягивается), сжимает находящуюся в выпускной полости корпуса вторую жидкость (рабочую жидкость) и замещает тем самым объем сжатой жидкости. Объем выпускной полости уменьшается, а давление находящейся в ней жидкости становится равным давлению сырой нефти.
Чем выше давление первой жидкости, тем большее количество жидкости, находящейся в выпускной полости, должно быть замещено растягивающимся сильфоном, т.е. нужно увеличивать его диаметр, а также длину для достижения необходимой величины осевой деформации, что приведет к увеличению его жесткости, а следовательно, к увеличению потерь энергии, затрачиваемой на его деформирование и к снижению чувствительности гидровытеснителя, как преобразователя энергии одного потока жидкости в энергию другого потока.
Из вышеизложенного следует, что применение прототипа в условиях, характеризующихся большим (гипербарическим) давлением жидких сред, не обеспечивает передачу энергии без изменения давления, которое в выпускной полости будет отличаться в меньшую сторону от давления во впускной полости, что и является его основным существенным недостатком, усложняющим получение на выходе заданной величины давления второй (рабочей) жидкости.
Ожидаемым от заявляемой полезной модели техническим результатом является повышение точности преобразования энергии одного потока жидкости в энергию другого потока за счет повышения чувствительности сильфонного блока.
Достижение указанного результата осуществляется за счет того, в гидровытеснителе сильфонном для гипербарических установок жидкостного дыхания, содержащем закрытый с двух сторон цилиндрический полый корпус с впускной и выпускной полостями и отверстиями для подвода к ним различных рабочих жидких сред, а также размещенный внутри корпуса сильфонный узел с полостью, сообщающейся с впускной полостью корпуса, последний образован двумя соединенными между собой чашками с фланцами. Внутри корпуса размещен являющийся разделителем жидких сред сильфонный узел, выполненный в виде набора одинаковых по размеру закупоренных с одного конца сильфонов, прикрепленных другими концами со стороны выпускной полости к установленному между фланцами жесткому диску с отверстиями, соединяющими впускную полость корпуса с полостями сильфонов. При этом количество сильфонов определяется отношением объема вытесняемой жидкой среды к объему этой среды, вытесняемому одним сильфоном.
Между совокупностью заявляемых признаков полезной модели и ожидаемым техническим результатом, получаемым с помощью предлагаемой конструкции гидровытеснителя, существует следующая причинно-следственная связь.
Применение в конструкции сильфонного узла, состоящего из набора одинаковых по размеру сильфонов, обеспечивающих вытеснение из выпускной полости необходимого для получения заданного давления суммарного объема находящейся в ней жидкости, жесткость каждого из которых меньше жесткости используемого для этого же одного сильфона большего размера, снижает расходование (потерю) передаваемой энергии на их осевую деформацию (удлинение), способствуя тем самым повышению точности преобразования, определяющей разность давлений во впускной и выпускной полостях корпуса гидровытеснителя, т.е. на его входе и выходе.
На фиг. показана в разрезе конструкция гидровытеснителя сильфонного, подключенного к потребителю рабочей жидкой среды в виде герметичного сосуда (испытательной камеры) гипербарического давления.
вх
вых
вх
Гидровытеснитель (см. фиг.) выполнен на базе сборного корпуса, состоящего из двух цилиндрических чашек 1 и 2 с соединительными фланцами 3 по краям, соосно и оппозитно расположенными относительно друг друга донными частями наружу, и образующими с размещенным между ними разделителем рабочих сред в виде диска 4 соответственно впускную герметичную полость, соединенную отверстием 5 в донной части одной чашки с магистральным трубопроводом для подвода одной рабочей среды давлением р, и выпускную герметичную полость, соединенную с помощью отверстия 6 в донной части другой чашки с трубопроводом для отвода вытесненной другой рабочей среды давлением р, равным по величине давлению р. Размер выпускной полости в осевом направлении Н принимается равным сумме величины максимально допустимой деформации сильфона и его длины в свободном состоянии, что исключает перерастание упругих деформаций в пластические, вызывающие повреждения сильфонов.
К диску 4 со стороны выпускной полости прикреплен набор одинаковых по размеру сильфонов 7, образующих вместе с диском 4 сильфонный узел. Каждый сильфон 7 одним концом прикреплен к диску 4 соосно с соответствующим ему отверстием 9 (на фиг.присутствует указание на одно отверстие 9) в диске 4. Отверстия других, свободных концов сильфонов 7 закупорены с помощью сварки вставленными в них пробками в виде дисков 8. Образованные таким образом внутренние герметичные полости сильфонов соединены отверстиями 9 с впускной герметичной полостью корпуса гидровытеснителя. Герметизация полостей обеспечивается кольцевыми уплотнениями 10, установленными в кольцевых канавках на обращенных к диску 4 торцовых поверхностях чашек 1 и 2, причем канавки для предохранения выдавливания колец в уплотняемые зазоры выполнены закрытыми в радиальных направлениях.
В качестве потребителя вытесненной рабочей среды используется, например, герметичный гипербарический сосуд (камера) 11.
Работает гидровытеснитель следующим образом.
Перед началом выполнения цикла вытеснения впускная и выпускная полости, также полость потребителя - сосуда 11 обезвоздушены и заполнены полностью соответствующими жидкими рабочими средами под одинаковым давлением.
вх
Следует отметить, что поднимать давление во впускной полости до р в процессе работы гидровытеснителя следует так, чтобы в процессе повышения этого давления моментальная разность давлений во впускной и выпускной полости никогда не превышала допустимой по ГОСТ, по которому сделаны используемые в гидровытеснителе сильфоны, с целью предотвращения их выхода из строя.
вх
вых
вх
При подаче через отверстие 5 во впускную полость жидкой рабочей среды под давлением р, соединенные с ней отверстиями 9 полости сильфонов 7, имеющих в свободном состоянии длину L, заполняются, вызывая растяжение (удлинение, ход) сильфонов в осевом направлении на величину ΔL, и осуществляют вытеснение из выпускной полости корпуса части находящейся в ней рабочей жидкой среды под давлением р=р в полость потребителя - сосуда 11, объем (расход) которой зависит от диаметра сильфонов d и величины удлинения (хода) ΔL (величина допустимых деформаций металлических сильфонов составляет 5…15% от их длины в свободном состоянии: см. Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. Под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 45, раздел 2.3).
Отсутствие перепада давлений в полостях исключает деформацию (раздутие, сжатие) сильфонов в радиальном направлении.
При отключении подачи рабочей среды во впускную полость корпуса и снижении в ней давления до давления перед началом выполнения цикла вытеснения, а, следовательно, давление упадет и в соединенных с впускной полостью сильфонах блока, сильфоны сожмутся (укоротятся) в осевом направлении под действием накопленной в них при растяжении энергии упругой деформации, возвращаясь тем самым в исходное свободное состояние и создавая в выпускной полости разрежение, т.е. падение давления находящейся в ней рабочей среды, вызывающее всасывание в выпускную полость рабочей среды, находящейся в полости потребителя - сосуде 11, а объем этой рабочей среды будет равен вытесненному ранее ее объему.
Размерные параметры сильфонов и величина их осевой деформации, обеспечивающие достижение поставленной цели, определяются следующим образом.
вых
к
5
2
3
Например, требуется обеспечить вытеснение жидкой рабочей среды под давлением р=15 МПа=150⋅10 Н/м в сосуд (камеру), объем полости которого V составляет 0,1 м или 100 литров.
Коэффициент сжатия находящейся в нем жидкой рабочей среды
к
где ΔV - изменение объема рабочей среды в полости сосуда 11 от изменения давления;
Δр - изменение давления рабочей среды в полости сосуда.
Здесь формула (1) аналог формулы 1.1 из (Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под ред. Б.Б. Некрасова. Минск, Вышяйш. Школа, 1976. - С. 12, параграф 1.2).
Приняв (для примера) коэффициент сжатия вытесняемой рабочей среды равным среднему коэффициенту сжатия воды
р
(β получено расчетом из среднего изотермического модуля упругости для воды из Таблицы 1.6 на стр. 13 Справочного пособия по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам, полная ссылка приведена выше), тогда изменение объема рабочей среды в сосуде
c
-3
Объем вытесняемой рабочей среды одним сильфоном ΔV, например, с размерными параметрами d=0,1 м - диаметр, L=0,1 м - длина в свободном состоянии, при длине рабочего хода (растяжения) ΔL=15⋅10 м, т.е. 15% длины сильфона в свободном состоянии:
Следовательно, для вытеснения рабочей жидкой среды объемом 0,73 литра, требуется иметь в составе гидровытеснителя 6 сильфонов (0,73/0,12=6,08), а с запасом по допустимой длине рабочего хода (меньшим удлинением AL) сильфонов - 7 сильфонов, образующих вместе с диском, являющимся разделителем рабочих сред, сильфонный узел. Для этого могут быть использованы обладающие наименьшей жесткостью однослойные сильфоны по ГОСТ 22388-90 (максимально возможный диаметр 196 мм) или сильфоны многослойные по ГОСТ 21744 - 83 (максимально возможный диаметр 190 мм). Естественно, при проектировании гидровытеснителя сильфонного по предлагаемой полезной модели следует пользоваться в расчетах количества необходимых сильфонов значениями их характеристик, приведенных в упомянутых выше ГОСТ.
В случае вытеснения рабочей среды при меньшем давлении во впускной полости, чем в рассмотренном примере, величина рабочего хода (величина растяжения) при полностью заполненных выпускной полости и полости потребителя (сосуда) будет соответственно меньше.
Если использовать для этой цели гидровытеснитель с сильфонным узлом, состоящим из одного сильфона, то его диаметр для тех же условий работы гипербарической установки может быть рассчитан с помощью следующего выражения:
В результате получаем D=250 мм.
С таким диаметром выпускаются компенсаторы сильфонные по ТУ 3695-001-50819136-2006 или по ТУ 3695-002-50819136-2006, обладающие значительно большей жесткостью в осевом направлении, а, следовательно, не способные обеспечить высокую точность преобразования энергии за счет больших потерь на их осевую деформацию (растяжение или сжатие).
Таким образом, в заявляемой полезной модели повышена точность преобразования энергии одного потока жидкости в энергию другого потока
за счет повышения чувствительности сильфонного блока, то есть достигнут ожидаемый технический результат.