УРАВНОВЕШЕННЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР
BALANCED PNEUMATIC COMPENSATOR

Уравновешенный пневматический компенсатор относится к трубопроводной технике и служит для компенсации тепловых перемещений трубопроводов с жидкой средой, обеспечивая высокие виброизолирующие свойства и снижение динамических и статических сил, передаваемых на трубы и в опоры трубопровода, а также гашение пульсаций давления. Он также может служить для уменьшения вибраций на участках подключения виброактивных механизмов, например насосов.
Известны уравновешенные компенсаторы трубопроводов с разгрузочными камерами из гофрированных оболочек, заполненных жидкостью, согласно патенту США №2348833, кл. 285-228, патенту Великобритании №988639, кл. F2G, патенту Франции №2283383, кл. F16L 51/02. Общим существенным недостатком их являются низкие виброизолирующие свойства вследствие большой жесткости разгрузочных камер и передача на трубы и в опоры больших статических и динамических сил.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является уравновешенный компенсатор тепловых перемещений трубопровода по авторскому свидетельству СССР №752109, кл. F16L 51/02, 1980 г., содержащий три гофрированные оболочки. Первая является основным компенсирующим элементом, размещенным между фланцами трубопровода в месте его разрыва. Вторая и третья размещены соосно между фланцем и кольцевым диском, охватывающим с зазором трубопровод и скрепленным с другим фланцем трубопровода. Они образуют разгрузочную камеру, заполненную жидкой средой из трубопровода и имеющую эффективную площадь, величина которой больше, чем площадь сечения трубопровода. В большинстве уравновешенных компенсаторов эти площади равны, поэтому при одинаковом давлении жидкости в трубопроводе и в разгрузочной камере силы распора, действующие на основной компенсирующий элемент, уравновешиваются силой давления, создаваемого разгрузочной камерой. Недостатком компенсатора является его большая жесткость вследствие большой жесткости жидкости в разгрузочной камере и жесткости гофрированных оболочек, опирающихся на практически несжимаемую жидкость. Поэтому компенсатор обладает низкими виброизолирующими свойствами и на трубы и в опоры передаются большие динамические, а также статические силы при тепловом расширении труб.
Целью данного изобретения является повышение виброизолирующих свойств уравновешенного компенсатора трубопровода с жидкой средой и снижение сил, передаваемых от компенсатора на трубы, путем снижения статической и динамической жесткости при замене жидкости на сжатый воздух в разгрузочной камере и под основным компенсирующим элементом.
Эта цель достигается тем, что компенсатор снабжен источником сжатого воздуха с более высоким давлением, чем давление жидкости в трубопроводе, следящими регуляторами давления, связанными с клапаном подачи сжатого воздуха в разгрузочную камеру и с клапаном сброса избыточного сжатого воздуха в атмосферу, а также эластичной оболочкой, отделяющей жидкую среду в трубопроводе от сжатого воздуха под гофрами основного компенсирующего элемента и образующей вместе с ним дополнительную пневмокамеру, связанную с разгрузочной камерой посредством дроссельного отверстия.
<mrow><mtext>C</mtext><mo>=</mo><mtext>G</mtext><mo>×</mo><mtext>S/L      (1)</mtext></mrow>
<mrow><mtext>Ñ</mtext><mo>=</mo><mtext>n</mtext><mo>×</mo><mi>p</mi><mo>×</mo><mi>S</mi><mo>/</mo><mi>L</mi><mtext>    (2)</mtext></mrow>
Жесткость разгрузочной камеры состоит из жесткости среды, заполняющей камеру, и жесткости гофрированных оболочек. При заполнении камеры жидкостью, например водой, сжатие гофров ограничивается практически несжимаемой жидкостью, поэтому жесткость гофрированных оболочек значительно выше, чем у оболочек, заполненных сжатым воздухом. Выражение для жесткости жидкости в разгрузочной камере имеет вид:
, где G - объемный модуль упругости жидкости, S, L - эффективная площадь и длина разгрузочной камеры. Выражение для жесткости сжатого воздуха в разгрузочной камере:
, где n - показатель политропы, p - избыточное давление, n=1 - при статическом нагружении, n=1,4 - при колебаниях.
2
4
2
Если p=10 кгс/см (это обычная величина для трубопроводов с водой, причем для воды G=2,2×10 кгс/см), то из сравнения соотношений (1) и (2) видно, что жесткость сжатого воздуха в пневматической разгрузочной камере уменьшается в отношении G/(n×p), что примерно в 1500 раз меньше жесткости воды в разгрузочной камере, заполненной водой, при одинаковых размерах камер. Исходя из этого и зависимости (2), длину пневматической разгрузочной камеры можно существенно уменьшить по сравнению с водяной камерой. Например, если длину уменьшить в три раза, соотношение жесткостей сред составит 500. Жесткость гофрированных оболочек, заполненных водой, обычно составляет 0,1-0,15 от жесткости воды, а в сжатом воздухе меньше, чем в воде, всего в десятки раз. В итоге, отношение суммарных жесткостей разгрузочных камер составляет примерно 50-100 (вместо 500 для жесткостей сред). Но и при этих соотношениях жесткостей разгрузочных камер эффект от замены жидкости на сжатый воздух велик, так как в таких же отношениях уменьшаются передаваемые через компенсатор динамические силы при колебаниях.
Статические силы при тепловом расширении труб возникают за счет реакций деформируемых гофрированных оболочек, пропорциональных их жесткости, и уменьшаются в десятки раз, как отмечено выше, при замене жидкости на сжатый воздух.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен уравновешенный пневматический компенсатор в разрезе. На фиг.2 - фрагмент, изображающий в увеличенном масштабе следящие регуляторы давления и связанные с ними: клапан подачи сжатого воздуха в разгрузочную камеру и клапан сброса избыточного воздуха в атмосферу.
Уравновешенный пневматический компенсатор содержит трубы (1) и (2) трубопровода (3) с жидкой средой, фланец (4) трубы (1) и фланец (5) трубы (2), присоединенную к фланцам гофрированную оболочку (6), являющуюся основным компенсирующим элементом, а также две соосные гофрированные оболочки (7) и (8) и кольцевой диск (9), образующие разгрузочную камеру (10) с фланцем (4) и кольцевым диском (9), присоединенным посредством шпилек (11) к фланцу (5).
Для повышения виброизолирующих свойств и снижения сил, передаваемых на трубы, компенсатор снабжен источником сжатого воздуха (12), давление в котором выше, чем в трубопроводе с жидкостью (3), обратным клапаном (13), следящими регуляторами давления (14) и (15), клапаном подачи сжатого воздуха (16) в разгрузочную камеру (10), клапаном сброса (17) избыточного сжатого воздуха из разгрузочной камеры (10) в атмосферу, а также эластичной оболочкой (18), закрепленной между фланцами (4) и (5), и гофрированной оболочкой (6). При этом эластичная оболочка (18) отделяет гофрированную оболочку (6) от жидкости в трубопроводе (3). Клапан подачи сжатого воздуха (16) в разгрузочную камеру (10) выполнен заодно со следящим регулятором давления (14), а клапан сброса в атмосферу (17) - со следящим регулятором давления (15). Следящие регуляторы давления (14) и (15) имеют гидравлические полости (19) и (20), подсоединенные посредством трубок (21) и (22) к внутренней полости трубопровода (3), и пневматические полости (23) и (24), которые подсоединены к разгрузочной камере (10) посредством подводки (25).
Перегородка (26) отделяет от клапана (16) гидравлическую полость (19) следящего регулятора давления (14), которая, в свою очередь, отделена от пневматической полости (23) плунжером (27), присоединенным к седлу (28) клапана (16) посредством штока (29). В клапане (16) имеется перегородка с отверстием (30), к которой прижато седло (28) посредством пружины (31). В корпусе следящего регулятора (15) пневматическая полость (24) и гидравлическая полость (20) разделены плунжером (32), который посредством штока (33) присоединен к седлу(34) клапана (17) сброса избытка сжатого воздуха из разгрузочной камеры (10) в атмосферу по трубке (35). Седло (34) прижато к перегородке с отверстием (36) посредством пружины (37). Перегородкой (38) отделяется гидравлическая полость (20) следящего регулятора (15) от клапана (17). Эластичная оболочка (18) совместно с гофрированной оболочкой (6) и фланцами (4) и (5) образуют дополнительную пневмокамеру (39), соединенную с разгрузочной камерой (10) посредством дроссельного отверстия (40).
Уравновешенный пневматический компенсатор работает следующим образом.
При подаче жидкости в трубопровод (3) она по трубкам (21) и (22) поступает в гидравлические полости (19) и (20) следящих регуляторов давления (14) и (15) и, воздействуя на плунжер (27), отжимает пружину (31), а также седло (28) от перегородки с отверстием (30). Сжатый воздух по подводке (25) поступает в разгрузочную камеру (10) и через дроссельное отверстие (40) в фланце (4) - в пневмокамеру (39). При этом седло (34) клапана (17) сброса сжатого воздуха из разгрузочной камеры (10) в атмосферу прижато к перегородке с отверстием (36), перекрывая выброс сжатого воздуха в атмосферу.
Когда давление в разгрузочной камере (10) и пневмокамере (39) становится равным давлению жидкости в трубопроводе (3) и одновременно с этим - в гидравлической полости (19) и в пневматической полости (23) следящего регулятора давления (14), сжатый воздух воздействует на поршень (27) и тем самым на шток (29) и на седло клапана (28), прижимая его к перегородке (30) и перекрывая отверстие в перегородке. При этом распорная сила давления жидкости в трубопроводе (3) уравновешивается силой давления, создаваемого разгрузочной камерой (10), а длина основного компенсирующего элемента (6) становится номинальной. Давление в пневмокамере (39) становится равным давлению жидкости в трубопроводе (3), и диаметр эластичной оболочки (18) становится равным диаметру трубопровода (3). Тангенциальные напряжения в эластичной оболочке (18) при одинаковом давлении снаружи и внутри эластичной оболочки практически равны нулю, и пульсации давления из жидкой среды передаются через нее в пневмокамеру (39) и гасятся вследствие потерь энергии при перетоке сжатого воздуха из пневмокамеры (39) в разгрузочную камеру (10) и обратно через дроссельное отверстие (40). При увеличении давления жидкости в трубопроводе (3) система ведет себя аналогично: поршень (27) следящего регулятора (14) смещается, отжимая седло клапана (28) от перегородки с отверстием (30), и дополнительное количество сжатого воздуха поступает в разгрузочную камеру (10) и в пневмокамеру (39), пока не уравняется давление в трубопроводе (3) и в камерах (10) и (39).
При уменьшении давления жидкости в трубопроводе (3) и в связанной с ним гидравлической полости (20) следящего регулятора (15) сжатый воздух в пневматической полости (24) отжимает поршень (32) и седло (34) клапана (17) сброса избыточного давления от перегородки с отверстием (36), и излишек сжатого воздуха удаляется из разгрузочной камеры (10) и из пневмокамеры (39) в атмосферу по трубке (35). Когда давление в полостях (20) и (24) станет равным, поршень (32) возвращается в исходное положение и седло (34) прижимается к перегородке (36), перекрывая сброс воздуха из разгрузочной камеры (10) и пневмокамеры (39) в атмосферу.
При тепловом перемещении труб (1), (2), например, при сближении фланцев (4) и (5) компенсирующая оболочка (6) укорачивается, а гофрированные оболочки (7) и (8) удлиняются, нагружая торцы труб (1) и (2) осевыми реакциями, в данном случае - силами сжатия. При этом часть воздуха из пневмокамеры (39) перетекает в разгрузочную камеру (10) через отверстие (40). Если давление в разгрузочной камере (10) и в связанной с ней пневматической полости (23) ниже, чем давление жидкости в трубопроводе (3) и в гидравлической полости (19), плунжер (27) с штоком (29) отжимает седло (28) от перегородки (30), открывая подачу сжатого воздуха в разгрузочную камеру (10) и в пневмокамеру (39) вплоть до выравнивания давления воздуха с давлением воды. Гофрированная оболочка (6) дополнительно сжимается, а силы реакций, действующие на торцы труб (1) и (2), частично уравновешиваются силами давления, создаваемыми разгрузочной камерой (10). При увеличении промежутка между трубами (1) и (2) система работает в противоположном направлении, также разгружая трубы от реакций гофрированных оболочек.
Источником сжатого воздуха может служить, например, компрессор с ресивером, или компенсатор может быть подключен к существующей пневмосистеме, в которой создается давление воздуха выше, чем давление жидкости в трубопроводе.
Применение уравновешенного пневматического компенсатора позволяет повысить виброизолирующие свойства за счет существенного уменьшения динамической жесткости разгрузочной камеры, снизить пропорционально уменьшению жесткости передаваемые на трубы и в опоры динамические силы, а также статические силы при тепловом расширении труб, обеспечить гашение пульсаций давления и уменьшить длину разгрузочной камеры.
Источники информации
1. Патент США №2348833, кл. 285-228, 1944 г. Уравновешенная соединительная конструкция трубопровода.
2. Патент Великобритании №988639, кл. F2G, 1962 г. Уравновешенный компенсатор.
3. Патент Франции №2283383, кл. F16L 51/02, 1976. Уравновешенный компенсатор.
4. Авторское свидетельство СССР №752109, кл. F16L 51/02, 1980 г. Уравновешенный компенсатор. Прототип.