ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КЛАПАН, ТАРЕЛЬЧАТЫЙ КЛАПАН, ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР, СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ИЛИ ПОДАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В ПРУЖИНЕ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ КЛАПАНЕ И СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
DIFFERENTIAL VALVE, POPPET VALVE, PISTON COMPRESSOR, METHOD OF REDUCING OR SUPPRESSING RESONANCE OF SHOCK WAVE PROPAGATION IN SPRING IN DIFFERENTIAL VALVE AND METHOD OF PISTON COMPRESSOR OPERATION

Область изобретения
Раскрытые в этом документе варианты выполнения в целом относятся к дифференциальным клапанам, т.е. клапанам, которые автоматически приводятся в действие перепадом давления на клапане. Некоторые иллюстративные варианты выполнения непосредственно относятся к клапанам поршневого компрессора, таким как, в частности, тарельчатые клапаны гиперкомпрессоров.
Описание уровня техники
Гиперкомпрессоры, которые способны создавать давление газа на уровне или выше 3000 бар, широко используются в промышленности, включая, но не ограничиваясь этим, производство полиэтилена низкой плотности, или LDPE. Эффективная работа этих компрессоров управляется, по меньшей мере частично, всасывающими и нагнетательными тарельчатыми клапанами с автоматическим регулированием. На Фиг.1 показана в частичном разрезе часть гиперкомпрессора 2, относящегося к традиционному уровню техники, содержащего два тарельчатых клапана 10. На Фиг.2 изображен увеличенный разрез одного из традиционных тарельчатых клапанов компрессора, показанного на Фиг.1, в открытом положении. Тарельчатая направляющая, выполненная в соответствии с уровнем техники, раскрыта в заявке на патент США №2010/0024891.
Как показано на Фиг.1, гиперкомпрессор 2 обычно содержит корпус 3, в котором выполнен цилиндр 4. Шток 5 поршня выполнен с возможностью поступательного скольжения в цилиндре 4 для всасывания текучей среды из всасывающего канала 6 и выпуска текучей среды при более высоком давлении в выпускной канал 7. В каждом из указанных каналов, всасывающем 6 и выпускном 7, расположен тарельчатый клапан 10. На Фиг.1 номер позиции 10S обозначает тарельчатый клапан, установленный во всасывающем канале 6, а номер позиции 10D обозначает тарельчатый клапан, установленный в выпускном канале 7. Каждый тарельчатый клапан 10S, 10D выполнен, как показано на Фиг.2, и в целом обозначен номером позиции 10.
Как показано на Фиг.2, традиционный тарельчатый клапан 10 содержит корпус 11, который содержит тарелку, или тарельчатый затвор 12, выполненный с возможностью открытия и закрытия проточного прохода для газа в гиперкомпрессор 1 и из него; пружину 14, выполненную с возможностью удержания тарельчатого затвора 12 в закрытом положении, упираясь в закрывающее седло 13, образованное частью внутренней поверхности корпуса 11 клапана; и направляющую 16 затвора, в которой расположены тарельчатый затвор 12 и пружина 14. Как показано на чертеже, когда тарельчатый затвор 12 принудительно открывают, от входного проточного отверстия 18 до выходного проточного отверстия 20 традиционного тарельчатого клапана 10 образуется проточный проход 17 (обозначен несколькими стрелками на Фиг.2), который ограничен пространством, образовавшимся между тарельчатым затвором 12 и корпусом 11 клапана, а также между направляющей 16 затвора и корпусом 11 клапана. Направляющая 16 затвора традиционного тарельчатого клапана 10 также содержит выпускное отверстие 22 вдоль своей оси А-А, соединяющее внутреннюю часть камеры 26 направляющей 16 с проточным проходом 17 в области остановки потока, причем обратное давление во внутренней камере 26 определяется, по меньшей мере частично, статическим давлением в области проточного прохода 17 вокруг оси А-А традиционного тарельчатого клапана 10.
Открытие и закрытие тарельчатых клапанов 10, 10S, 10D автоматически управляется перепадом давления через клапаны. Эти клапаны, поэтому, иногда называют «автоматическими клапанами» и выделяют их из управляемых клапанов, которые например, широко используются в двигателях внутреннего сгорания, где открытие и закрытие клапана находится под управлением внешних приводов, например, путем распределительного вала.
Всасывающий тарельчатый клапан 10S выполнен так, что он открывается, когда давление в цилиндре 4 гиперкомпрессора 2 уменьшается во время всасывающего хода штока 5. Давление во всасывающем канале 6 преодолевает силу сопротивления пружины 14; перепад давления через клапан вызывает открытие клапана, при этом текучая среда всасывается в цилиндр 4 компрессора. Выпускной клапан 10D закрыт. Как только шток 5 достигает нижней мертвой точки, движение сменяется на обратное и начинается сжатие текучей среды в цилиндре. Повышенное давление в цилиндре 4 автоматически закрывает всасывающий клапан 10S и открывает выпускной клапан 10D, когда перепад давления через выпускной клапан 10D, между цилиндром 4 компрессора и выпускным каналом 7, преодолевает силу сопротивления соответствующей пружины.
При каждом закрывающем перемещении тарельчатого затвора 12 соответствующий тарельчатый клапан 10, 10S, 10D сильно ударяет в седло 13 корпуса 11 клапана, а каждый открывающий ход приводит к удару тарельчатого затвора 12 о направляющую 16.
Эти тарельчатые клапаны играют важную роль в надежности гиперкомпрессоров, используемых на заводах, производящих полиэтилен низкой плотности. Характеристики таких клапанов зависят не только от свойств выбранного материала и соответствующей конструкции выдерживать высокое давление рабочего газа, но и от правильного динамического поведения тарельчатого затвора 12. На надлежащее открытие и закрытие клапана влияют различные конструктивные ограничения, связанные с несколькими динамическими силами, действующими на клапан, включая, среди прочих, силу сопротивления, действующую на тарельчатый затвор 12 и направляющую 16 затвора для открытия клапана, причем эта сила сопротивления создается за счет взаимодействия потока газа с известными частями клапана; силу давления газа, действующую на направляющую 16 затвора для закрытия традиционного клапана 10, причем эта сила давления газа создается давлением обратного потока, действующим на заднюю поверхность направляющей 16 затвора; силу инерции, связанную с массой тарельчатого затвора 12; и силу пружины, создаваемую пружиной 14 для закрытия клапана.
Гиперкомпрессоры традиционно работают в диапазоне скоростей от 150 до 300 оборотов в минуту. В каждом цикле все клапаны выполняют открывающие и закрывающие перемещения с соответствующим ударным воздействием тарельчатого затвора о седло 13 и направляющую 16 затвора. Повторные ударные воздействия приводят к ударному износу и фронтальным повреждениям, которые, в конечном итоге, приводят к отказу тарелки. Ударный износ приводит к расходу материала и неровностям поверхности, которые могут способствовать образованию выборочных мест для образования трещин. Трещины могут распространяться из-за ударной усталости посредством волн напряжения, создаваемых динамическими нагрузками, вызванными ударными воздействиями, до окончательного разрушения тарельчатого затвора. В случае высокой скорости ударного воздействия ударная усталость может сама по себе образовывать трещины, даже в отсутствие ударного износа.
При наличии ударных нагрузок на пружины напряжение распространяется вдоль проволоки пружины. Концевой виток пружины, находящийся в контакте с приложенной нагрузкой, принимает на себя всю деформацию, а затем передает большую часть своей деформации в соседние витки. Эта волна сжатия распространяется по пружине неограниченно. Резонанс наступает в зависимости от времени распространения. Это приводит к очень большим деформациям и, соответственно, очень высоким механическим напряжениям. В этих условиях вполне возможно, что пружина может отказать. Это явление и называется резонансным распространением ударной волны. С другой точки зрения, ударное напряжение, приложенное к пружине при закрытии или открытии затвора, инициирует деформацию пружины, в соответствии с функцией, которая может быть разложена в ряд Фурье, и которая также содержит гармоники, соответствующие резонансной частоте пружины. В некоторых обстоятельствах все это может генерировать вышеупомянутую волну сжатия, бегущую вдоль пружины. Высокое механическое напряжение, создаваемое в пружине резонансом, в конечном итоге может привести к отказу пружины. Если это происходит в автоматическом клапане поршневого компрессора, то затвор будет продолжать работать, но при ненормальных рабочих условиях. Ударные скорости затвора увеличиваются до очень высоких значений, усиливая фронтальные повреждения (ударные износ и ударную усталость) затвора. Фронтальное повреждение создает трещины, которые быстро распространяются в условиях динамических нагрузок, создаваемых повторными ударными воздействиями, и так до окончательного отказа клапана, когда затвор разламывается.
Резонансное распространение ударной волны в пружине может быть вызвано также газодинамическими силами (вихрями). Эти силы создают колебания давления с частотой обычно в диапазоне от 100 до 1200 Гц, что соответствует одной или нескольким резонансным частотам пружины клапана.
Автоматические клапаны используются не только в гиперкомпрессорах, но и в других видах поршневых компрессоров, которые традиционно используются для более низких диапазонов давления, например, от 100 до 1000 бар. Эти автоматические клапаны содержат упор с одним или несколькими выходными отверстиями и седло клапана с одним или несколькими входными отверстиями. Дискообразные или кольцеобразные затворы, или тарелки клапана, расположены между седлом клапана и упором, и при этом упруго поджимаются пружинами в седло. Открытие и закрытие управляется перепадом давления через клапан. Эти клапаны традиционно называют «кольцевыми клапанами», чтобы указать на форму использующегося в них затвора. Резонансное распространение ударной волны в пружине может возникнуть также в такого рода автоматических клапанах поршневых компрессоров благодаря эффекту воздействия ударных нагрузок на пружину при открытии и закрытии кольцеобразных затворов.
Поэтому было бы желательно разработать усовершенствованный клапан поршневого компрессора, в частности, автоматический клапан, например, такой как, конкретнее, тарельчатый клапан для гиперкомпрессоров, в которых явление резонансного распространения ударной волны в пружине подавлено или, по меньшей мере, снижено.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Путем использования поджимающего элемента, содержащего по меньшей мере две пружины с разными резонансными характеристиками, явление резонансного распространения ударной волны в пружине подавляется или, по меньшей мере, снижается. Для усиления эффекта подавления эффекта резонансного распространения ударной волны в пружине, при наличии достаточного места, может быть предусмотрено более двух параллельных пружин. Когда напряжение, приложенное к поджимающему элементу, имеет частоту, которая равна или приближается к резонансной частоте одной из указанных по меньшей мере двух пружин, указанная пружина стремится войти в резонанс. Тем не менее, распространению волны сжатия противодействует другая из указанных по меньшей мере двух пружин.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, следовательно, предложен дифференциальный клапан, такой, как, в частности, клапан поршневого компрессора, содержащий:
корпус, имеющий по меньшей мере одно проточное входное отверстие и одно проточное выходное отверстие, по меньшей мере один затвор, выполненный с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением при наличии перепада давления через клапан,
по меньшей мере один проточный проход, проходящий от проточного входного отверстия к проточному выходному отверстию,
по меньшей мере один поджимающий элемент, выполненный с возможностью поджатия затвора в закрытое положение, чтобы блокировать проточный проход через проточное входное отверстие,
при этом поджимающий элемент содержит по меньшей мере две пружины, которые расположены параллельно друг другу и одна из которых имеет по меньшей мере одну резонансную частоту, отличающуюся от по меньшей мере одной резонансной частоты другой из указанных двух пружин.
В целом, дифференциальный клапан представляет собой клапан, который сам открывается и сам закрывается в зависимости от перепада давления через клапан, такого как дифференциальное давление, создаваемое поршнем, возвратно-поступательно перемещающимся в цилиндре поршневого компрессора.
Пружины, расположенные параллельно друг другу, подвержены одной и той же деформации, когда смещаются под нагрузкой.
В некоторых вариантах выполнения указанные две пружины представляют собой винтовые пружины. Особенно компактная конструкция достигается, если пружины расположены коаксиально, то есть одна внутри другой.
Указанные две пружины могут представлять собой линейные пружины. В других вариантах выполнения одна из двух пружин не является линейной пружиной, например, пружиной с переменной жесткостью, жесткость которой возрастает с увеличением деформации. В других вариантах выполнения обе пружины могут быть нелинейными, например, представлять собой пружины с переменной жесткостью.
Особенные преимущества достигаются, когда изобретение выполнено в виде тарельчатого клапана гиперкомпрессора. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, тарельчатый клапан содержит: направляющую затвора, неподвижно размещенную в корпусе клапана, причем клапанный затвор с возможностью перемещения направляется направляющей затвора; проточный проход, проходящий от указанного проточного входного отверстия к указанному проточному выходному отверстию и образованный между внутренней поверхностью корпуса клапана и наружной поверхностью указанной направляющей затвора и затвором. Поджимающий элемент, по меньшей мере частично, размещен в направляющей затвора.
В соответствии с другими вариантами выполнения, клапан представляет собой кольцевой клапан, такой как автоматический кольцевой клапан для поршневых компрессоров. Каждое кольцо упруго поджато посредством нескольких поджимающих элементов, распределенных вдоль кольцевых выступов кольца. В некоторых вариантах выполнения каждый поджимающий элемент содержит по меньшей мере две пружины, расположенные параллельно, например, две спиральные пружины. В некоторых вариантах выполнения указанные две пружины каждого поджимающего элемента могут быть коаксиальными.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, раскрываемый здесь объект изобретения относится к поршневому компрессору, содержащему: цилиндр, поршень, с возможностью скольжения расположенный в указанном цилиндре и поступательно перемещающийся в нем; всасывающий канал и выпускной канал, находящиеся в проточном сообщении с указанным цилиндром; по меньшей мере один всасывающий клапан, расположенный в указанном всасывающем канале, и выпускной клапан, расположенный в указанном выпускном канале; причем открытие и закрытие указанного всасывающего клапана и указанного выпускного клапана автоматически управляется перепадом давления через клапан; при этом по меньшей мере один из указанного всасывающего клапана и указанного выпускного клапана снабжен, как описано выше, затвором и поджимающим элементом, воздействующим на затвор, причем поджимающий элемент содержит по меньшей мере две пружины, имеющие различные резонансные частоты.
В некоторых вариантах выполнения компрессор представляет собой гиперкомпрессор. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения компрессор вращается со скоростью от 150 до 300 оборотов в минуту, т.е. поршень выполняет 150-300 циклов в минуту, причем каждый цикл включает ход всасывания и обратного сжатия и хода выпуска. Следовательно, каждый всасывающий и выпускной клапан в компрессоре в минуту выполнят от 150 до300 циклов открытия и закрытия. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения компрессор работает при выпускном давлении от 800 до 4500 бар, например, от 1500 до 3500 бар.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, раскрываемый здесь объект изобретения относится к способу снижения или подавления резонансного распространения ударной волны в пружине в клапане поршневого компрессора, причем указанный компрессор содержит: корпус клапана, выполненный с проточным входным отверстием и проточным выходным отверстием; затвор, выполненный с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением при наличии перепада давления через клапан; проточный проход, проходящий от проточного входного отверстия к проточному выходному отверстию; по меньшей мере один поджимающий элемент, выполненный с возможностью поджатия затвора в закрытое положение, чтобы блокировать проточный проход через проточное входное отверстие. Способ включает подавление распространения резонансных волн сжатия в указанном поджимающем элементе путем размещения по меньшей мере двух пружин параллельно друг другу, причем одна из указанных пружин имеет по меньшей мере одну резонансную частоту, отличающуюся от по меньшей мере одной резонансной частоты другой из указанных двух пружин.
Приведенное выше краткое описание излагает признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы последующее подробное описание могло быть лучше понято, и для того, чтобы нынешний вклад в уровень техники мог быть лучше оценен. Имеются, конечно, и другие признаки изобретения, которые будут описаны ниже, и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем подробно объяснить несколько вариантов выполнения изобретения, следует понимать, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении к деталям конструкции и расположению элементов, изложенным в приведенном ниже описании или изображенным на чертежах. Изобретение может быть воплощено в других вариантах выполнения и использоваться на практике и осуществляться различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в этом документе, приведены в целях описания и не должны рассматриваться как ограничение.
Таким образом, специалистам будет понятно, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использовано в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для осуществления нескольких целей изобретения. Важно, таким образом, что формулу изобретения можно рассматривать как включающую такие эквивалентные конструкции, когда они не отступают от сущности и объема изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения изобретения и многие сопутствующие преимущества будет легко получить со ссылкой на последующее подробное описание, если его рассматривать совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 изображает разрез части известного поршневого гиперкомпрессора;
Фиг.2 иллюстрирует разрез, выполненный вдоль продольной оси тарельчатого клапана известного гиперкомпрессора;
Фиг.3 показывает продольный разрез части гиперкомпрессора, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг.4 изображает продольный разрез тарельчатого клапана в открытом положении, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг.5 изображает схематический вид сбоку нелинейной винтовой пружины с переменной жесткостью;
Фиг.6 изображает продольное сечение кольцевого клапана с нелинейными упругими элементами в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения и представляет собой разрез по линии VI-VI, показанной на Фиг.6А, кольцевого клапана с параллельным расположением пружин;
Фиг.6А иллюстрирует вид по линии VIA-VIA, показанной на Фиг.6;
Фиг.7 иллюстрирует увеличенный вид пружины, показанной на Фиг.6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения дается со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же ссылки на различных чертежах определяют одни и те же или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется формулой изобретения.
Ссылки во всем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один из вариантов выполнения раскрытого объекта изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в один или несколько вариантов выполнения.
Различные преимущества изобретения будут обсуждаться ниже в этом документе в связи с тарельчатым клапаном гиперкомпрессора. Однако следует понимать, что по меньшей мере некоторые из признаков изобретения могут быть воплощены в автоматических клапанах поршневых компрессоров других типов, таких как кольцевые клапаны.
Один из вариантов выполнения, раскрытый в этом документе далее, относится к одному тарельчатому клапану. Однако следует понимать, что по меньшей мере, некоторые функции, описанные в этом документе, могут быть воплощены в мульти-тарельчатом клапане, то есть в клапане, содержащем более одного тарельчатого затвора и соответствующей направляющей затвора. Например, упор, содержащий несколько направляющих для нескольких тарельчатых затворов, может быть использован в сочетании с седлом клапана с несколькими всасывающими отверстиями, каждое из которых соответствует соответствующему тарельчатому затвору.
Со ссылкой на Фиг.3 описана общая конструкция гиперкомпрессора, но ограничиваясь только теми частями, которые важны для понимания изобретения. Гиперкомпрессор 102 содержит корпус 103, в котором сформирован цилиндр 104. Шток 105 поршня выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре 104 для всасывания текучей среды из по меньшей мере одного всасывающего канала 106 и выпуска текучей среды при высоком давлении из по меньшей мере одного выпускного канала 107. В каждом из указанных каналов, всасывающем 106 и выпускном 107, соответственно, расположен соответствующий тарельчатый клапан. Номер позиции 110S обозначает тарельчатый клапан во всасывающем канале 106, а номер позиции 110D обозначает тарельчатый клапан в выпускном канале 107. Расположение всасывающего канала и выпускного канала по отношению к цилиндру 104 может отличаться от изображенного на чертежах. В частности, положение оси клапана по отношению к оси цилиндра может быть различным и может зависеть от расчетных значений входного и выпускного давлений гиперкомпрессора.
Шток 105 поршня приводится в действие коленчатым валом (не показан). В некоторых вариантах выполнения скорость вращения коленчатого вала находится в диапазоне между 150 и 300 оборотов в минуту, т.е. шток 105 выполняет полное движение сжатия-всасывания 150-300 раз в минуту. Следовательно, каждый клапан 110S, 110D выполняет перемещения открытия-закрытия со скоростью от 150 до 300 раз в минуту. Выпускное давление компрессора составляет от 800 до 4000 бар, например, от 1500 до 3500 бар.
Каждый тарельчатый клапан 110S, 110D может быть выполнен, как показано в иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг.4, где клапан целиком обозначен номером позиции 110 и показан в своем открытом положении, обеспечивая возможность прохождения потока газа через клапан от входного отверстия к выходному отверстию.
Клапан 110 содержит корпус 111 с осью А клапана, тарельчатый затвор 112, поджимающий элемент 114 и направляющую 116 затвора.
В некоторых вариантах выполнения тарельчатый затвор 112 имеет внутреннюю полость 113, в которой расположена прокладка 115. Поджимающий элемент 114 частично размещен во внутренней полости 113 затвора 112 и частично во внутренней камере 117 направляющей 116. В частности, элемент 114 удерживается между прокладкой 115 и нижней поверхностью 117В внутренней камеры 117 направляющей 116. Поверхность 117А внутренней камеры 117 находится в скользящем контакте с наружной поверхностью 112А затвора 112 таким образом, чтобы последний направлялся с возможностью скольжения направляющей 116 во время хода открытия и закрытия затвора 112. В соответствии с различными вариантами выполнения затвор 112 может, по меньшей мере частично, окружать направляющую затвора и может направляться направляющей затвора, выступая внутрь полости тарельчатого затвора.
Клапан 110 также имеет проточное входное отверстие 118 и проточное выходное отверстие 120. При работе поджимающий элемент 114 поджимает затвор 112 от направляющей 116 в закрытое положение, в котором часть 122 поверхности затвора 112 упирается в закрывающее седло 124, образованное частью поверхности корпуса 111 клапана, предотвращая, тем самым, выход газа из проточного входного отверстия 118 к проточному выходному отверстия 120, или наоборот. Пружину 114 соответствующим образом предварительно нагружают, обеспечивая достаточное закрывающее давление между затвором 112 и закрывающим седлом 124. Когда сила, действующая на затвор 112 перепадом давления газа через клапан, выше, чем поджимающая сила пружины 114, затвор 112 перемещается в открытое положение, показанное на Фиг.4, обеспечивая, тем самым, возможность прохождения газов от проточного входного отверстия 118 к проточному выходному отверстию 120 через проточные проходы 126, образованные между затвором 112 и внутренней поверхностью корпуса 111 клапана, а также между направляющей 116 и внутренней поверхностью корпуса 111, как показано стрелками 128 на Фиг.4.
В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг.4, поджимающий элемент 114 содержит две предварительно нагруженные винтовые пружины 114А и 114В сжатия, расположенные параллельно одна внутри другой. В частности, пружина 114А имеет больший диаметр и расположена вокруг пружины 114В меньшего размера. В соответствии с различными не показанными вариантами выполнения, пружины расположены бок о бок, а не коаксиально. Пружины расположены в предварительно нагруженном состоянии, так что отсутствует любой перепад давления через клапан, тарельчатый затвор 112 поджат пружинами 114А, 114В в уплотнительном контакте с закрывающим седлом 124.
В одном варианте выполнения пружины 114А и 114В представляют собой линейные пружины, т.е. пружины, в которых деформация линейно зависит от сжимающей нагрузки, приложенной к пружинам.
Каждая пружина 114А, 114В характеризуется (первой) резонансной частотой и частотами, кратными этой частоте. Обычно, если со обозначает первую резонансную частоту пружины, резонансные частоты более высокого порядка - это 2ω (резонансная частота второго порядка, 3ω (резонансная частота третьего порядка)…Nω (резонансная частота N-го порядка).
В некоторых вариантах выполнения пружины 114А, 114В выполнены таким образом, что по меньшей мере первая резонансная частота (первая гармоника) одной из указанных пружин 114А, 114В отличается от первой резонансной частоты (первой гармоники) другой пружины. В некоторых вариантах выполнения также по меньшей мере частоты второго и, желательно, третьего и, возможно, четвертого порядка (вторая, третья, четвертая гармоника) различны для двух пружин 114А, 114В. Например, если первая пружины имеет первую резонансную частоту в 100 Гц и последующие резонансные частоты в 200, 300, 400 Гц, вторую пружину можно выполнит так, что ни первая, ни вторая, ни третья и ни четвертая резонансные частоты не имеют значения 100, 200, 300 или 400 Гц.
Если условия работы клапана таковы, что первая из двух пружин будет резонировать на первой резонансной частоте, распространению волны сжатия по пружине будет противодействовать вторая из двух пружин, первая и последующие резонансные частоты которой отличаются. Общий результат этой конструкции будет предотвращения или снижения эффекта резонансного распространения ударной волны в пружине.
В соответствии с разными вариантами выполнения, по меньшей мере одна из двух пружин 114А, 114В является нелинейной пружиной, например, пружиной с переменной жесткостью. В некоторых вариантах выполнения обе пружины 114А, 114В имеет нелинейный характер, например, представляют собой пружины с переменной жесткостью. Нелинейное поведение пружин приводит к подавлению или снижению резонансного распространения ударной волны в пружине.
В целом, нелинейная винтовая пружина с переменной жесткостью может быть схематически представлена конструкцией последовательно расположенных пружин с переменной жесткостью. В целом, такая конструкция может быть получена по-разному. На Фиг.5 показан один из вариантов выполнения спиральной пружины, в которой шаг между витками, образующими пружину, меняется вдоль осевого измерения пружины. Шаги, т.е. расстояния между двумя соседними витками, образующими пружины 114А или 114 В, помечены Р1, Р2, Р3,…Р-1, Р. Шаг может меняться ступенчато от одного конца до другого конца пружины, хотя это не является обязательным; например, шаг может уменьшиться от каждого конца пружины к центру пружины, или наоборот.
Характеристики нелинейной винтовой пружины с переменной жесткостью подавляют или снижают эффект резонансного распространения ударной волны в пружине следующим образом. Теоретически, в обычной линейной винтовой пружине общая деформация пружины распределяется равномерно между различными витками. Это означает, что расстояние между каждой парой соседних витков снижается в одинаковой мере пока, наконец, витки не будут соприкасаться друг с другом. В винтовой пружине с переменной жесткостью витки, которые отстоят друг от друга на меньшее расстояние, коснуться друг друга раньше, чем остальные витки. Это приводит к изменению жесткости витка. В то время как сжимающая деформация увеличивается, постепенно все большее число витков входят в контакт друг с другом, приводя к постепенному увеличению жесткости пружины, пока, наконец, не достигается максимальная сжимающая деформация, когда все витки расположены с минимальным расстоянием друг от друга, причем каждый виток соприкасается с соседним.
Поскольку жесткость пружины с переменной жесткостью меняется в зависимости от деформации, также изменяется резонансная частота, при этом распространение волн сжатия (резонансное распространение ударной волны в пружине) подавляется или, по меньшей мере, сильно снижается.
Объединение двух винтовых пружин 114А, 114В, по меньшей мере одна из которых является нелинейной, и которые имеют различные резонансные частоты, увеличивает эффективность поджимающего элемента 114 подавлять резонансное распространение ударной волны.
Когда хотя бы одна из пружин имеет повышающуюся жесткость, такая как, например, винтовая пружина с переменной жесткостью, пружины могут быть выполнены так, что жесткость увеличивается поэтапно, по меньшей мере в три различных этапа, т.е. так, кривая зависимости деформации от нагрузки имеет по меньшей мере две точки перегиба, где крутизна кривой меняется с разрывом производной в имеющемся диапазоне деформаций. Разрыв соответствует изменению жесткости пружины. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения соотношение между двумя последовательными значениями жесткости предпочтительно заключено между 1,2 и 2, т.е.
i
i-1
1,2<K/K<2,
i
i-1
где K и K представляют собой последовательные значения жесткости пружины.
На Фиг.6, 6А и 7 проиллюстрирован еще один вариант выполнения. В этом варианте выполнения кольцевой клапан в целом обозначен номером позиции 201. Клапан 201 содержит корпус клапана, состоящего из упора 203 клапана, снабженного кольцевыми сквозными проходами 205, и седла 207 клапана, снабженного кольцевыми сквозными проходами 209. Между упором 203 клапана и седлом 205 расположены затворы, выполненные в виде концентрически расположенных уплотнительных колец 212. Каждое кольцо 212 упруго поджато к седлу 207 с помощью нескольких поджимающих элементов 214, расположенных вдоль кольцевых выступов кольца. Каждый поджимающий элемент 214 размещен в корпусе 213, выполненном в упоре 203 клапана. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения (см., в частности, Фиг.7) каждый поджимающий элемент 214 содержит по меньшей мере две пружины 214А, 214В. Каждая пружина 214А, 214 В может представлять собой винтовую пружину. В этом варианте выполнения, представленном на чертежах, пружины 214А, 214В являются коаксиальными, т.е. меньшая пружина расположена в пустом пространстве, образованном большей из указанных пружин. В некоторых вариантах выполнения обе пружины 214А, 214В являются линейными. В альтернативных вариантах выполнения одна или обе пружины нелинейные, например, пружины с переменной жесткостью.
Несмотря на то, описанные варианты выполнения объекта изобретения, описанные в этом документе, как было показано на чертежах и полностью описано выше с конкретностью и подробностью в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, для специалиста будет очевидно, что возможно много модификаций, изменений и исключений без существенного отхода от новых идей, принципов и концепций, изложенных в настоящем документе, и преимуществ объектов изобретения, заявленных в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, объем раскрытой инновации следует определять только в соответствии с самой широкой интерпретацией формулы изобретения таким образом, чтобы охватывать все эти модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок и последовательность этапов любого процесса или способа может быть изменена или переупорядочена, в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.