КОМПЕНСАТОР

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов.
В настояшее время используются различные конструкции компенсаторов, содержащих сильфон и расположенный в нем экран, которые применяются в различных областях машиностроения для механизмов и трубопроводов с газовой или жидкостной средой.
Известен компенсатор системы для выпуска выхлопных газов двигателя, содержащий сильфон, установленный внутри корпуса, и демпферные подушки (Заявка на выдачу патента Российской Федерации № 94017845, F 01 N 7/08, опубл. 1996 г.).
Корпус выполняет функцию ограничения перемещения сильфона в осевом направлении. Демпферные подушки выполнены из прессованной металлической проволоки. Внешние торцевые участки стенок корпуса являются подвижными относительно друг друга, что позволяет компенсировать осевое и радиальное перемещение сильфона. Устройство ограничивает осевое перемещение сильфона за счет контропор демпферных подушек. Демпферные подушки из проволоки в настоящее время широко используются в большинстве находящихся в эксплуатации компенсаторов. Преимущество этого технического решения - простота конструкции.
Ограничениями устройства являются: жесткость конструкции корпуса, что не позво.г1яет использовать полезные свойства сильфона и тот имеет ограниченный ход; недостаточная величина компенсации вибраций, поскольку корпус выполнен сплошным, а сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры выходит из строя (прогорает), что является причиной недостаточно высокой надежности и срока эксплуатации; использование демпферных подушек из прессованной металлической проволоки резко уменьшает ход сильфона в осевом направлении, что не позволяет в достаточной мере использовать характеристики сильфона, как основного узла компенсации; применение демпферных подушек из прессованной металлической проволоки приводит к их постепенной усадке в процессе эксплуатации, что уменьшает надежность конструкции и время эксплуатации; конструкция является
2001128990
Jifflfpipillilii
9 О
F 16 L 15/00, F 01 N 7/08 КОМПЕНСАТОР
металлоемкой и обеспечивает только одностороннее восприятие прикладываемой нагрузки.
Известен компенсатор перемещений трубопровода, содержащий сильфон, переходники, фланцы, защитный цилиндр, причем защитный цилиндр закреплен с одной стороны на одном из переходников, а на другом переходнике и противолежаи ей ему стенке цилиндра установлены ограничители угловых и осевых перемещений сильфона (Патент Российской Федерации № 21467865, F 16 L 51/02, опубл. 2000 г.).
Фланцы в этом устройстве выполнены в виде подшипников скольжения для компенсации угловых смещений сильфона, а упоры ограничивают перемещение сильфона в осевом направлении.
Ограничениями этого технического решения яв.ляются: жесткость конструкция защитного цилиндра, и при наличии осевой вибрации возможно появление стуков или так называемое «пение сильфона; устройство недостаточно гасит низкие и высокие частоты из-за сплошной конструкции защитного цилиндра; сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры преждевременно выходит из строя, что приводит к недостаточно высокой надежности и сроку эксплуатации изза значительной термической нагрузки на него из-за отсутствия внутреннего экрана; применение ограничителя уменьшает ход сильфона в осевом направлении только на величину зазора в  ограничителе, что не позволяет высокоэффективно использовать характеристики сильфона и приводит к ограниченности его хода; установка фланцев на патрубках сильфона в виде подшипников скольжения позволяет компенсировать крутящие тангенциальные составляющие перемещения сильфона, однако они в реально эксплуатирующихся устройствах являются не значительными, поэтому использование таких технических элементов не является эффективным, а также усложняет конструкцию в целом; за счет выполнения защитного цилиндра сплошным не удается эффективно компенсировать радиальные составляющие смещения сильфона.
Наиболее близким техническим решением является компенсатор системы выпуска выхлопных газов двигателя, содержащий сильфон, стенки которого сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента (пластины), установленные снаружи сильфона (Патент Великобритании № 1450555, F 16 L 51/00, опубл. 1976 г.).
Сильфон в этом техническом решении выполнен из двух гофрированных частей, соединенных отрезком трубопровода (площадкой), которая придает дополнительную жесткость устройству. Наличие цилиндрического экрана внутри сильфона в этрм техническом решении не описывается. Преимуществом этой конструкции перед аналогичными является связь корпуса сильфона с внешней средой, что позволяет эффективно рассевать тепловую энергию, а также осуществлять гашение радиальных колебаний.
Ограничениями являются: ограничение хода сильфона и его одностороннее действие, т.к. при осевых нагрузках сильфон может работать только на сжатие; отрезок трубопровода между двумя гофрированными частями увеличивает жесткость конструкции, что ухудшает восприятие нагрузки при радиальных колебаниях и приводит к неравномерной нагруженности гофр сильфона при осевых и радиальных циклических колебаниях; из-за жесткости крепления упругих пластин к фланцам с  сторон сильфона устройство практически не воспринимает тангенциальные нагрузки, и при вращении входного и выходного патрубков сильфона происходит поломка упругих пластин и сокращение срока эксплуатации устройства в целом.
Решаемая полезной моделью задача - повышение качества и надежности устройства, улучщение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях осевой, радиальной и тангенциальной неустойчивости и периодического воздействия выхлопных газов.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повыщение долговечности и снижение шумовых характеристик за счет обеспечения компенсации различных термоциклических нагрузок газовой струи и исключения резонансных колебаний, повышение долговечности, уменьшение габаритов.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в компенсаторе системы выпуска выхлопных газов двигате.ля, содержащем сильфон, стенки которого сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями гофр, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента, установленные снаружи сильфона, согласно заявленной полезной модели один торец упругого элемента закреплен с одной стороны сильфона, а другой торец упругого элемента установлен на противоположной стороне сильфона, а на упругом элементе выполнен, по меньшей мере, один изгиб.
Возможны дополнительные варианты выполнения конструкции, в которых целесообразно, чтобы:
-был введен цилиндрический экран, который был установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с сильфоном со стороны входа газов;
-упругий элемент был выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения;
-изгиб был выполнен в виде угла, или плавного изгиба, или петли, или витка или С-образным, или Q-образным, или волнообразным;
-изгиб был обращен наружу от поверхности сильфона;
Для предыдущего варианта целесообразно, чтобы упругие элементы были изогнуты под углом.
Для основного варианта целесообразно, чтобы изгиб был обращен внутрь к поверхности сильфона.
Для предыдущего варианта целесообразно, чтобы вогнутая поверхность между двумя гофрами, расположенными с обоих краев сильфона, была выполнена с больщим радиусом, чем радиус г выпуклой поверхности гофры, на упругом элементе были выполнены два изгиба с радиусом RI, каждый из которых расположен во впадине между упомянутыми двумя гофрами.
Целесообразно, чтобы были введены втулка, закрепленная на выходном патрубке сильфона, и шайба, втулка была выполнена в поперечном направлении с кольцевой канавкой, в которой установлена шайба, а упомянутый другой торец упругого элемента был соединен с шайбой с возможностью ее поворота во втулке.
Конструктивно целесообразно к последнему варианту, чтобы:
-между последней гофрой сильфона и втулкой выходной патрубок был выполнен разъемным с сильфоном, было введено углеграфитовое кольцо, установленное на выходном патрубке сильфона между последней гофрой и втулкой с возможностью герметизации внутреннего пространства сильфона;
В дополнение к основному варианту целесообразно, чтобы:
-торец упругого элемента был закреплен с одной стороны сильфона через его фланец или торец упругого элемента был закреплен непосредственно на входном патрубке сильфона, а упомянутый изгиб был выполнен посредством плавного изгиба самого упругого элемента между входным патрубком и гофрой сильфона, первой по счету по ходу газов, при этом радиус RI плавного изгиба был выбран большим, по меньшей мере в два раза, чем радиус г выпуклой поверхности гофры.
Также возможен вариант, чтобы были введены кольцо и втулка, выполненная с продольной канавкой, закрепленные на выходном патрубке сильфона, край упругого элемента был выполнен загнутым в виде витка в внутрь самого упругого элемента, и виток был установлен в продольной канавке втулки в пространстве между  и втулкой, при этом радиус Ra витка выполнен меньшим радиуса RI плавного изгиба, но большим, чем радиус г выпуклой поверхности гофры.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшими вариантами ее выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг. 1 изображает основной вариант выполнения заявленной конструкции;
Фиг. 2 - то же, что фиг. 1 с упругими элементами с изгибом под углом;
Фиг. 3 - то же, что фиг. 1, с изгибом, обращенным к наружной поверхности сильфона;
Фиг. 4 - то же, что фиг. 1, с изгибом, обращенным наружу и выполненным над входным патрубком сильфона, а также с витком упругого элемента, расположенным над выходным патрубком сильфона;
Фиг. 5 - то же, что фиг. 1, с изгибом в виде петли, а также с углеграфитовым кольцом, расположенным на выходном патрубке сильфона;
Фиг. 6 - упругие элементы с различной формой изгиба.
Компенсатор системы выпуска выхлопных газов двигателя (фиг. 1) содержит сильфон 1, стенки которого сопряжены между собой выпуклыми-поверхностями 2 и вогнутыми поверхностями 3 гофр, соответственно. Конструкция имеет, по ме})ьшей мере, два упругих элемента 4, установленные снаружи сильфона 1. Один торец упругого элемента 4 закреплен с одной стороны сильфона 1, а другой торец упругого элемента 4 установлен на противоположной стороне сильфона 1. На упругом элементе выполнен, по меньшей мере, один изгиб 5.
Для уменьшения термонагрузки на сильфон 1 в конструкцию может быть введен цилиндрический экран 6 (фиг. 1-5), который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с сильфоном 1 со стороны входа газов.
Упругий элемент 4 моисет быть выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения, например, в виде пластины, или проволоки.
Изгиб 5 выполнен в виде угла (фиг. 2, первый вариант на фиг. 6), или плавного изгиба (фиг. 3, 4, второй вариант на фиг. 6)), или петли (фиг. 1, 5, четвертый вариант на фиг. 6), или витка (фиг. 4) или С-образным (фиг. 3, второй вариант на фиг. 6), или Q-образным (третий вариант на фиг. 6), или волнообразным ( шестой и седьмой вариант на фиг. 6). Возможные, но не исчерпывающие варианты формы изгиба 5 представлены на фиг. 6.
Изгиб 5 может быть обращен наружу от поверхности сильфона 1 (фиг. 2). В этом случае д.11я уменьшения поперечных габаритов целесообразно, чтобы упругие элементы 4 были изогнуты под углом.
Изгиб 5 может обращен внутрь к поверхности сильфона 1 (фиг. 3). Для уменьшения поперечных габаритов вогнутая поверхность 3 между двумя гофрами, расположенными с обоих краев сильфона 1, может быть выполнена с большим радиусом, чем радиус г выпуклой поверхности 2 гофры. На упругом элементе 4 выполнены два изгиба 5 с радиусом Rj, каждый из которых расположен во впадине между упомянутыми двумя гофрами.
В конструкцию могут быть введены втулка 7, закрепленная на выходном патрубке 8 сильфона, и шайба 9 (фиг. 3). Втулка 7 выполнена в поперечном направлении с кольцевой канавкой, в которой установлена шайба 9. Торец упругого элемента 4 соединен с шайбой 9 с возможностью ее поворота во втулке 7. Такая конструкция позволяет обеспечить большую тангенциальную подвижность сильфона 1.
Между последней по ходу газов гофрой сильфона 1 и втулкой 7 (или выходным фланцем 10) (фиг. 5) выходной патрубок 8 может быть выполнен разъемным с сильфоном 1. Введено углеграфитовое кольцо И, установленное на выходном патрубке 8 сильфона 1 между последней гофрой и втулкой 7 (или выходным фланцем 10) с возможностью герметизации внутреннего пространства сильфона 1. Такое исполнение увеличивает подвижность сильфона 1 при тангенциальных и радиальных нагрузках.
Торец упругого элемента 4 может быть закреплен с одной стороны сильфона через его входной фланец 12 (фиг. 1-3, 5) или торец упругого элемента 4 может быть закреплен непосредственно на входном патрубке 13 сильфона 1 (фиг. 4). Изгиб 5 (фиг. 4) выполнен посредством плавного изгиба самого упругого элемента 4 между входным патрубком 13 и гофрой сильфона 1, первой по счету по ходу газов. Радиус RI плавного изгиба выбран большим, по меньшей мере в два раза, чем радиус г выпуклой
поверхности 2 гофры сильфона 1. Такая конструкция позволяет уменьшить поперечные габариты.
В конструкцию (фиг. 4) могут быть введены кольцо 14 и втулка 15, выполненная с продольной канавкой, закрепленные на выходном патрубке 8 сильфона 1. Край упругого элемента 4 выполнен загнутым в виде витка 16 в внутрь самого упругого элемента 4. Виток 16 установлен в продольной канавке втулки 15 в пространстве между кольцом 14 и втулкой 15. Радиус Ra витка выполнен меньшим радиуса RI упомянутого плавного изгиба, но большим, чем радиус г выпуклой поверхности 2 гофры сильфона 1. Такая конструкция увеличивает подвижность сильфона в продольном, поперечном и тангенциальном направлениях.
Как показали исследования, в случае выполнения сильфона 1 и упругих элементов 4 из одного материала, например, нержавеющей стали, радиус RI изгиба 5 (фиг. 1, 3, 4, 6 ) может быть выполнен в отношении к радиусу г выпуклой поверхности 2 гофры сильфона 1 (фиг. 1, 5) в диапазоне от 2,0 до 6,0. Высота h i, h 2 изгиба 5 (фиг. 6) должна быть выполнена в отношении к высоте h гофр сильфона 1 (фиг. 5) в диапазоне от 1,0 до 2,0, толш;ина 5i упругого элемента 4 может быть выполнена в отношении к толщине 6 стенки сильфона 1 в диапазоне от 1,0 до 3,0.
Работает компенсатор (фиг. 1-5) следующим образом.
Для эффективной термокомпенсации изгиб 5, как показали испытания различных конструкции, может быть расположен в любом месте упругого элемента 4, ближе или дальше от входного патрубка 14 и соответственно выходного патрубка 11.
Сильфон 1 при работе двигателя испытывает циклические термонагрузки, заставляющие гофры сильфона 1 сжиматься и разжиматься. Упругие элементы 4 с изгибом 5 также находятся под воздействием термоциклических нагрузок, но поскольку они находятся от горячей струи газов дальше и могут быть отделены от нее цилиндрическим экраном 6 и стенками сильфона 1, а тепловая энергия с наружной поверхности сильфона 1 рассеивается в окружающее пространство между упругими элементами 4, то термоциклические нагрузки, испытываемые упругими элементами 4, меньше, чем термоциклические нагрузки испытываемые сильфоном 1. Изгиб 5 под воздействием термоциклических нагрузок позволяет упругим элементам 4 удлиняться и сжиматься, но в меньшей степени, чем ход гофр сильфона 1. Цилиндрический экран 6 является компенсатором термоциклических нагрузок и защищает сильфон 1 от разрушения от воздействия высоких температзф. За счет податливости упругих элементов 4 с
изгибом 5 в обоих направлениях вдоль оси сильфона 1, возможности поворота торцов упругих элементов 4 (фиг. 3-5) под воздействием тангенциальных нагрузок и подвижности сильфона 1 в осевом и радиальном направлениях устройство позволяет осуществить демпфирование вибраций во всех направлениях. Процесс компенсации происходит за счет хорошей подвижности всех элементов конструкции. Энергия вибрации расходуется на преодоление изменения геометрии упругих элементов 4 и сильфона 1, а также упругости металла. Таким образом, в отличие от известных аналогов процесс демпфирования происходит за счет функционирования всей сборки с указанными элементами в конструкции.
Специалистам понятно, что изображенные на фигурах конкретные конструкции не исчерпывают всех возможных вариантов выполнения заявленного устройства в рамках заявленного общего технического решения. Возможны также различные модификации конструкции, известные из уровня техники, и использование сочетаний различных, известных элементов. Понятно, что общий принцип функционирования заявленного устройства от такого вида усовершенствований не изменяется.
Наиболее успешно заявленный компенсатор системы выпуска выхлопных газов двигателя промышленно применим для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, и может быть использован для различных типов двигателей и систем выпуска.