РАЗГРУЖЕННЫЙ СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР

Полезная модель относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использована во всех отраслях техники для обеспечения эффективной защиты технологических трубопроводов, газопроводов, паропроводов, воздуховодов от статистических и динамических нагрузок, возникающих при температурных деформациях, вибрациях, присоединяемых к амортизируемым механизмам в качестве виброизолирующего элемента.
Известно, что при создании современных энергетических установок с высокими параметрами рабочей среды возникает необходимость создания средств защитной амортизации, одним из элементов которой является сильфонный компенсатор. Сильфонный компенсатор в своем конструктивном исполнении должен содержать элементы, которые компенсируют деформации, возникающие от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, воспринимают знакопеременные статические и динамические деформации (осевое сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), уменьшают уровень вибрации, передающихся по трубопроводу, а также защищают от эрозионного износа внутренние слои многослойного сильфона и уменьшают гидравлическое сопротивление компенсатора. Снижение нагрузок на фланцы наиболее актуально в конструкции компенсаторов, установленных в паропроводах атомных электрических станциях (АЭС), где при резких изменениях давления рабочей среды, в момент аварийного пуска и остановки паротурбинной установки, возможна разгерметизация фланцевых соединений и, как следствие, авария в паропроводной системе. В разработанных и поставляемых промышленностью конструкциях сильфонных компенсаторов допустимые нагрузки (напряжения) во фланцах обеспечиваются путем увеличения их толщин. Однако создание сильфонных компенсаторов на более высокие параметры рабочих сред и условные проходы (Ду>450) путем дальнейшего увеличения толщины фланцев становится технически и экономически нецелесообразным из-за значительного увеличения весогабаритных характеристик и стоимости конструкций, а также в ряде случаев невозможного их изготовления промышленностью.
Известна конструкция разгруженного сильфонного компенсатора, выполненная в виде сильфонов, концентрически расположенных внутри третьего, соединительных переходных патрубков, плавающей гильзы, помещенной внутри сильфонов меньшего диаметра, внутренних и наружных фланцев и разгрузочных тяг, установленных по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющих внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, имеющими на концах сферические шайбы. (SU, А.с. №156390, МПК F16L 51/03, опубликовано в «Бюллетене изобретений и товарных знаков» №15 за 1963 г.). В известной конструкции описано устройство сильфонного компенсатора, предназначенного для восприятия деформаций, возникающих от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, а также для снижения вибрационных и динамических нагрузок, передающихся от амортизированных энергетических установок.
Существенным недостатком этой конструкции сильфонного компенсатора является то, что конструктивное расположение разгрузочных тяг по образующей с наружной стороны сильфонов значительно увеличивают вес и габариты компенсатора, а также величины изгибающих моментов, передаваемых на фланцы при воздействии внутреннего давления рабочей среды.
Наиболее близким техническим решением является конструкция разгруженного компенсатора, принятого в качестве прототипа, состоящая из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов и изолирующих элементов, снабженных соответственно фланцами. Разгрузочные тяги установлены по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона и попарно соединяют внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами.
Разгрузочные тяги компенсатора располагаются внутри полости среднего сильфона, что позволяет, за счет уменьшения плеча (диаметра расположения тяг) уменьшить нагрузку (величину изгибающего момента) на фланцы компенсатора, а так же уменьшить габарит (наружный диаметр) и массу изделия. Разгрузочные тяги компенсатора расположенные внутри полости среднего сильфона, изолированы от рабочей среды гибкими элементами, сильфонами или шлангами, соединенными с внутренними фланцами. Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозионного износа сильфонов внутри компенсатора установлены консольные направляющие патрубки (RU, патент №2084749, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 14.11.1995 г., опубл. 20.07.1997 г.).
Условие равновесия распорных усилий является основным требованием при создании разгрузочных сильфонов компенсаторов. От равновесия распорных усилий в решающей степени зависят характеристики компенсатора. При изготовлении разгруженного компенсатора необходимо выполнить равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов. В данной конструкции это также являются сильфоны малых диаметров, изолирующие стяжки компенсатора, проходящие через фланцы среднего сильфона. Условия равновесия достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды, т.е. сумма всех распорных усилий в компенсаторе равна нулю.
где:
эф
ср
PF  - распорное усилие создаваемое средним сильфоном;
эф
ср
F  - эффективная площадь среднего сильфона;
Р - внутреннее давление среды;
эф
бок
F  - эффективная площадь бокового сильфона;
эф
из
F  - эффективная площадь изолирующих элементов;
n - количество изолирующих элементов.
Недостатком этой конструкции компенсатора является применение разгрузочных тяг, которые не позволяют в большей степени снизить нагрузки, передаваемые на фланцы компенсатора и уменьшить габаритные размеры и массу компенсатора, а также необходимость в установки изолирующих элементов внутри полости среднего сильфона, что приводит к большой погрешности равенства эффективных площадей сильфонов при фактическом изготовлении компенсатора, что влияет на работоспособность компенсатора.
Задачей данного технического решения является уменьшение габаритных размеров и массы сильфонного компенсатора, повышение его надежности при эксплуатационных нагрузках, и уменьшение погрешности равенства эффективных площадей сильфонов, что непосредственно влияет на работоспособность разгруженного сильфонного компенсатора.
Поставленная задача достигается тем, что в конструкции разгруженного сильфонного компенсатора, состоящего из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей.
Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона осуществляется соединительным патрубком (трубой) с двумя вырезами ее четвертой части позволяющая избежать нагрузки (величины изгибающего момента) на фланцы от внутреннего давления рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. При такой связи отпадает необходимость увеличения наружного диаметра боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг и шарнирных узлов. Кроме того, такая связь позволяет снизить толщину фланцев, массу и габаритные размеры компенсатора. При сварном соединении с трубопроводом отпадает необходимость установки боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг.
Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона может осуществляться соединительным патрубком (трубой) с двумя и более вырезами ее частей. Соединительные патрубки (трубы) с левой и правой стороны компенсатора повернуты относительно друг друга на угол 90°.
Равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов обеспечивает разгрузку сильфонного компенсатора. Это достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды. Дополнительные изолирующие элементы конструкции исключаются. Если сумма всех распорных усилий равна нулю, компенсатор не передает при эксплуатации усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.
эф
F - эффективная площадь сильфона;
вн
D - внутренний диаметр сильфона,
Dн - наружный диаметр сильфона.
Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора соединительный патрубок (труба) служит защитным и направляющим патрубком (обтекателем) не препятствующим работе компенсатора.
На фигуре показана конструкция предлагаемого разгруженного сильфонного компенсатора, продольный разрез.
Компенсатор состоит из внешних фланцев 1, патрубков 2, внутренних фланцев 3, соединительных патрубков (труб) 4, боковых 5 и среднего 6 сильфонов. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя вырезами распределенных равномерно по окружности равными частями на необходимую величину (глубину). Вырезов может быть и больше. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и через патрубок 2 соединены внешними фланцами 1 с противоположными внутренними фланцами 3 попарно. Уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора выполняют соединительные патрубки (трубы) 4. Сверху над сильфонами установлены защитные кожухи 7 и 8, которые предохраняют сильфоны 5 и 6 от наружных повреждений.
Компенсатор работает следующим образом.
При изменении температуры теплоносителя, протекающего по трубопроводу, возникают тепловые расширения трубопровода, которые через ответные фланцы трубопровода передаются на фланцы 1, соответственно патрубки 2, соединительные патрубки (трубы) 4 и на противоположные внутренние фланцы 3. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя и более вырезами распределенных равномерно по окружности равных частей на необходимую величину (глубину), оставшиеся выступающие части своими вершинами соединены с противоположными внутренними фланцами 3 сварным соединением. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и соединены с противоположными внутренними фланцами 3 попарно. Температурные расширения трубопровода приводят к перемещению фланцев 1, и как следствие, внутренних фланцев 3, в осевом, сдвиговом и угловом направлении. Распорные усилия, возникающие внутри компенсатора, среднего сильфона 6 компенсируются распорными усилиями боковых сильфонов 5. При, к примеру, осевом перемещении сжатии компенсатора средний сильфон 6 растягивается, а боковые сильфоны 5 сжимаются, вследствие чего и происходит компенсация распорных усилий в компенсаторе и не передаются приходящие усилия трубопровода на дальнейший участок за разгруженным сильфонным компенсатором.
Таким образом, предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволяет воспринимать статические и динамические деформации (сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), вызванные тепловыми расширениями трубопровода, погрешностью монтажа и вибрацией амортизированных механизмов. Обеспечивает получение компенсаторов с меньшими габаритными размерами и массой, повышенной надежностью. Кроме того, конструкция разгруженного сильфонного компенсатора позволит найти новое решение в качестве гибкого виброизолирующего элемента в паропроводах АЭС с высокими параметрами рабочей среды при создании современных энергетических установок, а также обеспечит перспективу широкого использования конструкции в газовой, нефтяной и других отраслях промышленности.