КОМПЕНСАТОР ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА ДЛЯ СЧЕТЧИКОВ ТОПЛИВА В ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к средствам пневмогидравлической техники или к трубопроводной арматуре и может быть использована для защиты гидро- и пневмосистем, в частности, их узлов и элементов и, особенно, счетчиков, от гидравлического удара и колебаний давления и расхода при перекачивании рабочей среды насосами, в том числе топливными, в топливных системах двигателей внутреннего сгорания.
Известно устройство для гашения гидравлических ударов, которое содержит проточный корпус, установленный внутри защищаемого трубопровода, а также соосно размещенные в корпусе сопло и последовательно соединенные диффузор и конфузор. Устройство содержит внешнюю (за пределами трубопровода) вспомогательную емкость, связанную с упомянутым корпусом посредством трубки. Возле диффузора установлена насадка, которая содержит механизм управления в виде поворотного элемента с аэродинамическим профилем, направленным вдоль потока, и снабженного двумя упорами. Это устройство используется в трубопроводах. При установившемся режиме водоразбора корпус через дополнительную трубку постоянно забирает из вспомогательной емкости определенное количество воды. При остановке насосного агрегата, образовавшаяся волна, встречается с дополнительной трубкой, и часть воды возвращается во вспомогательную емкость, где волна теряет большую часть своей энергии [см. патент России №2111405 по классу F16L 55/04 опубликованный 20.05.1998 года].
Основным недостатком этого устройства является сложность и нерациональность его конструкции, обусловленные необходимостью размещения одной части устройства в защищаемом трубопроводе, а второй - снаружи. Кроме того, эксплуатация этого устройства вынуждает постоянно подпитывать вспомогательную емкость водой, что, в свою очередь, вынуждает обеспечивать дополнительной системой водоснабжения само устройство. При монтаже устройства на трубопроводе возникает необходимость в нарушении его целостности для размещения внутри части устройства. Все это создает определенные неудобства и приводит к существенному повышению затрат на монтаж и эксплуатацию известного устройства для гашения гидравлического удара.
Этот недостаток устранен в устройстве для гашения гидроудара, которое содержит корпус, и размещенные в нем нормально открытый клапан, выполненный в виде
поворотных неперфорированных заслонок, соединенных между собой посредством упругой связи и демпфирующих элементов, установленных в корпусе: один перед клапаном и другой - после клапана, при этом демпфирующие элементы выполнены в виде неподвижного профилированного сердечника с кольцевыми канавками и опорным элементом, упорных элементов в виде упорных ребер жесткости и поворотных профилированных и перфорированных лепестков, связанных шарнирно с сердечником. Шарниры размещены в канавках, а лепестки соединены между собой упругим элементом. При этом лепестки демпфирующих элементов установлены до и после клапана и могут иметь различную величину перфорации, а угол наклона лепестков демпфирующих устройств в исходном положении может быть меньше или равен углу наклона заслонок в их исходном положении. При возникновении гидроудара, волна повышенного давления на его фронте раскрывает лепестки демпфирующего элемента, установленного перед клапаном, преодолевая сопротивление упругого элемента. Раскрытые перфорированные лепестки гасят пиковые нагрузки давления возмущенной среды. Далее волна повышенного давления закрывает поворотные заслонки клапана, и повышенное давление в отсеченной зоне перед клапаном продолжает гаситься перфорированными лепестками, причем фиксирование лепестков в раскрытом положении интенсифицирует процесс рассеивания энергии и затрачивания энергии потока на складывание лепестков и перевод их в исходное положение. Одновременно в зоне за клапаном происходит движение жидкости по инерции, при этом за счет проскочившей части энергии потока раскрываются перфорированные лепестки демпфирующего элемента, установленного за клапаном, что ведет к дальнейшему рассеиванию энергии потока до приемлемого уровня [см. патент России №2031300 по классу F16L 55/04 опубликованный 20.03.1995 года].
Основным недостатком этого устройства для гашения гидравлического удара, наряду с его чрезмерной сложностью и большой номенклатурой миниатюрных деталей, является его высокая инерционность, обусловленная возможностью проскока части энергии потока через клапан, что недопустимо для некоторых приборов, устанавливаемых в гидросистему, особенно счетчиков, устанавливаемых в топливную систему жидкостных двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является компенсатор гидравлического удара, который состоит из центрального перфорированного трубопровода, охваченного упругой мембраной, с присоединительными патрубками или штуцерами и охватывающей его демпфирующей камеры, которая выполнена в виде цилиндрической трубки из эластичного материала, охваченной
жестким корпусом большего диаметра, заполненного в кольцевом пространстве между ним и трубкой, вкладышами из упругого материала, выполненными в виде колец с распределенными по их поверхности выемками в виде кольцевых, либо радиальных, либо спиральных канавок или углублений произвольной формы и/или по их объему полостями в виде продольных или радиальных проточек, а также вкладыши разделены кольцами меньшего диаметра, образующих кольцевые канавки. При резком повышении давления рабочей среды, она, через перфорационные отверстия в трубопроводе, разрывает упругую мембрану, и волна давления гасится за счет диссипации энергии на перфорационных отверстиях, а также вследствие податливости трубки и вкладыша из упругого материала, который под воздействием волны давления выдавливается в выемки или полости [см. патент России №2144641 по классу F16L 55/04 опубликованный 20.01.2000 года].
Основным недостатком известного компенсатора гидравлического удара является одноразовость его использования из-за разрыва мембраны вследствие давления среды в момент гашения гидравлического удара значительной силы.
Вторым недостатком известного компенсатора гидравлического удара является не эффективность использования его отдельных частей, в частности, вкладышей, при небольшой силе гидравлического удара, поскольку в этом случае мембрана не разрывается и доступ к вкладышам отсутствует.
Третьим недостатком известного компенсатора гидравлического удара является нетехнологичность изготовления его конструкции. Этот недостаток обусловлен необходимостью использования специальных литьевых форм для изготовления вкладышей, которые имеют нестандартную конструкцию. Кроме того, поскольку вкладыши имеют различные виды канавок и выемок, нужны, соответственно, и разные литьевые формы, а это, в свою очередь, отражается в худшую сторону на себестоимости компенсатора.
В основу полезной модели поставлена задача упрощение конструкции компенсатора гидравлического удара с одновременным повышением его эксплуатационных характеристик, в частности, срока службы и нечувствительности к мощности гидравлического удара, за счет отсутствия разрушаемых при ударе элементов конструкции компенсатора и постоянной готовности вкладышей к гашению удара путем обеспечения постоянного смывания их текучей рабочей средой и многократного изменении направления движения последней.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном компенсаторе гидравлического удара, который выполнен в виде цилиндрического жесткого корпуса
большего диаметра с присоединенными к его торцам штуцерами, заполненного вкладышами из упругого материала, согласно предложению, внутри корпус разделен на демпфирующие камеры не менее двумя дисками с отверстием для прохода рабочей среды, размер которых равен размеру отверстий в штуцерах, при этом, в каждом диске имеется только одно отверстие на его периферии, выполненное в виде сегмента, причем отверстия в смежных дисках расположены на диаметрально противоположных их сторонах для изменения направления движения потока рабочей среды, а вкладыши из упругого материала выполнены в виде шариков из маслобензойстойкой резины. В другом варианте исполнения компенсатора гидравлического удара, каждый из упомянутых дисков имеет множество отверстий по всей его площади - перфорацию - для прохода рабочей среды, суммарный размер которых равен размеру отверстий в штуцерах. В третьем варианте исполнения компенсатора гидравлического удара, каждый из упомянутых дисков имеет одно отверстие в теле диска для прохода рабочей среды, размер которого равен размеру отверстий в штуцерах. Форма указанных отверстий в дисках - круглая, квадратная, щелевая - может быть любой и не имеет значения для достижения цели. Вкладыши из упругого материала могут иметь и иную произвольную, но обязательно выпуклую криволинейную форму, исключающую их прилегание друг к другу плоскостями.
Первый вариант исполнения компенсатора обеспечивает последовательное прохождение рабочей средой всех полостей демпфирующих камер с изменением направления потока рабочей среды в каждой камере, второй вариант - параллельное протекание рабочей среды множественными потоками, третий вариант, в зависимости от расположения отверстия (по центру диска или со смещением от центра) - смешанное прохождение рабочей средой всех полостей демпфирующих камер с частичным или полным изменением направления потока рабочей среды в каждой камере.
Благодаря изменению направления движения потока рабочей среды, она постоянно взаимодействует с упругими вкладышами, которыми заполнена каждая демпфирующая камера. В случае появления гидравлического удара, волна давления гасится за счет диссипации энергии на отверстиях, а также вследствие упругого сжатия вкладышей. Регулирование диапазона частот гасимых волн и степени снижения их амплитуды достигается варьированием размерами упругих шариков и их жесткости. Выполнение вкладышей в виде упругих шариков предельно упрощает их конструкцию и технологию изготовления. Еще в большей степени упрощается технология изготовления вкладышей произвольной формы.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - предложенный компенсатор гидравлического удара, первый вариант, продольный разрез; фиг.2 - тоже самое, поперечный разрез, фиг.3 - тоже самое, второй вариант, поперечный разрез, фиг.4 - тоже самое, третий вариант, поперечный разрез.
Предложенный компенсатор гидравлического удара (вариант, изображенный на фиг.1) состоит из цилиндрического жесткого корпуса 1 большего диаметра с присоединенными к его торцам штуцерами 2. Корпус 1 может быть и не цилиндрическим, однако цилиндрическая его форма наиболее технологична в изготовлении. Внутри корпус 1 заполнен вкладышами 3 из упругого материала, выполненных, например, в виде шариков из маслобензойстойкой резины. Внутри корпус 1 также разделен на демпфирующие камеры 4 не менее двумя дисками 5 с отверстием 6 для прохода рабочей среды. Размер отверстий 6 в дисках 5 равен размеру отверстий 7 в штуцерах 2. В каждом диске 5 имеется только одно отверстие 6 на его периферии, выполненное в виде сегмента. Отверстия 6 в смежных дисках 5 расположены на диаметрально противоположных их сторонах для изменения направления движения потока рабочей среды.
Аналогичную конструкцию имеет и второй вариант исполнения предложенного компенсатора гидравлического удара (вариант, изображенный на фиг.3). Разница заключается лишь в том, что каждый из упомянутых дисков 5 имеет множество отверстий 6 по всей его площади - перфорацию - для прохода рабочей среды, суммарный размер которых равен размеру отверстий 7 в штуцерах 2.
Аналогичную конструкцию имеет и третий вариант исполнения предложенного компенсатора гидравлического удара (вариант, изображенный на фиг.4). Разница заключается лишь в том, что каждый из упомянутых дисков 5 имеет одно отверстие 6 в теле диска 5 для прохода рабочей среды, размер которого равен размеру отверстий 7 в штуцерах 2.
Во втором и третьем вариантах исполнения предложенного компенсатора гидравлического удара форма указанных отверстий 6 в дисках 5 может быть любой - круглой, квадратной, щелевой - поскольку не имеет значения для достижения цели.
Вкладыши 3 из упругого материала также могут иметь произвольную, но обязательно выпуклую криволинейную форму, исключающую их прилегание друг к другу плоскостями.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с принципом работы предложенного компенсатора гидравлического удара.
При установившемся режиме движения рабочей среды в гидросистеме, она под давлением попадает через штуцер 2 в жесткий цилиндрический корпус 1 и рассредоточивается в первой демпфирующей камере 4. Далее, ударяясь о первый диск 5 (глухое препятствие), рабочая среда меняет свое направление движения (вариант, изображенный на фиг.1) и поступает через отверстие 6 во вторую демпфирующую камеру 4, где вновь рассредоточивается. Затем рабочая среда, ударяясь о второй диск 5, вновь меняет свое направление движения и поступает через отверстие 6 в третью демпфирующую камеру 4, где вновь рассредоточивается и, по мере продвижения, поступает в отверстие 7 штуцера 2 и возвращается в гидросистему. В процессе движения в корпусе 1, рабочая среда в каждой демпфирующей камере 4, омывая вкладыши 3, постоянно и многократно меняет свое направление.
При возникновении гидравлического удара, волна повышенного давления, в первую очередь, сталкивается с первой демпфирующей камерой 4, где частично (пиковые нагрузки) гасится за счет диссипации энергии в расширенной части корпуса 1. Далее, проскочившая часть неуравновешенного потока рабочей среды сталкивается с вкладышами 3, которые, благодаря своей податливости (упругости материала), рассеивают волну энергии до приемлемого уровня. Таким образом, предложенный компенсатор позволяет полностью погасить гидравлический удар за счет одновременного действия трех факторов, а именно: диссипации энергии при переходе из одной камеры 4 в другую, многократного изменения потока протекания рабочей среды и упругости материала вкладышей.
Во втором и третьем вариантах (фиг.3 и 4) исполнения компенсатора гидравлического удара, происходит гашение волны повышенного давления аналогичным образом.
Размеры отверстий 6 в дисках 5 должны совпадать с размерами отверстий 6 в штуцерах 2. Такое соотношение оптимально и, в этом случае, появляется возможность полностью погасить гидравлический удар. Если размеры отверстий 6 в дисках 5 будут больше, чем размеры отверстий 7 в штуцерах 2, то часть волны повышенного давления, не встречая препятствия, будет проскакивать в гидросистему. Если размеры отверстий 6 в дисках 5 будут меньше, чем размеры отверстий 7 в штуцерах 2, то в корпусе 1 будет возникать повышенное давление рабочей среды, которая, выходя из последней демпфирующей камеры 4, будет дестабилизировать общее давление рабочей среды в гидросистеме. Вкладыши 3 не должны иметь плоских поверхностей. В противном случае они могут образовывать общие (слипшиеся) фрагменты, снижающие упругость и уменьшающие многократность изменения направления движения рабочей среды. Количество
демпфирующих камер может быть различным, но, как показывает практика, вполне достаточно для полного гашения гидравлического удара, вполне достаточно установить в корпусе два диска 5.
Существенное отличие заявляемого объекта полезной модели от ранее известных заключается в том, что корпус компенсатора разделен на несколько последовательных демпфирующих камер с помощью дисков с отверстием строго оговоренного размера и месторасположения, а сами камеры полностью заполнены упругими вкладышами, имеющими форму, в которой отсутствуют плоскости, что позволяет за счет нескольких видов воздействия полностью погасить гидравлический удар. Указанные отличия, в совокупности, обеспечивают надежное поэтапное гашение энергии гидравлического удара за счет периодического расширения и сужения тракта движения рабочей среды, увеличения длины тракта движения рабочей среды и постоянного прохождения ею вкладышей (гасителей энергии), без изменения их пространственной ориентации и без их разрушения энергией волны повышенного давления. Ни одно из известных устройств такого класса не может обладать отмеченными свойствами, поскольку конструктивно содержат либо разрушаемые элементы, либо механически меняющие свое положение относительно узлов их крепления, либо требуют дополнительного отвода рабочей среды из гидросистемы, либо автономной подпитки.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- увеличение длины тракта движения рабочей среды по длине корпуса за счет использования разделяющих дисков со специальным расположением в них отверстий определенных размеров;
- увеличение срока эксплуатации (практически не ограничен) до естественного износа упругих вкладышей за счет отсутствия в конструкции разрушаемых деталей и подвижных элементов;
- повышения технологичности изготовления за счет использования вкладышей сферической или произвольной формы, то есть распространенных простейших форм;
- упрощение конструкции по той же причине;
- надежность гашения гидравлического удара за счет постоянного протекания рабочей среды через компенсирующие элементы, увеличение длины гасящего тракта и многократного изменения направления движения рабочей среды;
- возможность регулирования эксплуатационных характеристик компенсатора за счет использования вкладышей различной жесткости и дисков с разными отверстиями.
Социальный эффект от использования предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, получают за счет расширения области применения компенсатора гидравлического удара в результате высокой надежности и полного гашения энергии возмущенной среды. Именно по этой причине известные компенсаторы не используются в топливных системах двигателей транспортных средств, поскольку не обеспечивают полное гашение гидравлического удара. Это особенно актуально, если в топливную систему включают счетчики топлива. Как известно, эти приборы очень чувствительны к перепадам давления и, дают неверные показания при наличии таких перепадов, возникающих при работе топливных насосов. Наличие же счетчиков топлива позволяет не только точно контролировать его расход, но и предупредить его несанкционированное изъятие из бака транспортного средства..
Экономический эффект от использования предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, получают за счет снижения стоимости компенсатора гидравлических ударов, а также за счет абсолютной точности учета расхода топлива в двигателях транспортных средств.