РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

Полезная модель относится к промышленным системам подачи сжатых газов и может быть использована в газовой промышленности, энергетике, на испытательных станциях и стендах.
В регуляторах давления газов, содержащих пары трения скольжения при запуске в работу необходимо создавать избыток энергии для преодоления усилия трения при сдвиге с места чувствительных элементов. После снятия усилия трения чувствительные элементы перемещаются на величину хода большую, чем необходимо для регулирования. Это вызывает повышенные пульсации давления газа в регуляторе и трубопроводах. Возникают вибрации оборудования, что снижает ресурс работы всей системы.
Известен регулятор давления (см. Авторское свидетельство СССР №864259, кл. G05D 16/10, 1979), содержащий корпус с выходной и входной полостями. В корпусе установлен подпружиненный регулирующий орган, связанный с поршнем, надпоршневая полость которого связана через импульсный клапан с входной полостью, подпоршневая полость - с выходной полостью, а также регулируемый дроссель, установленный в перепускном канале, входом сообщенного с надпоршневой полостью и задатчик. Причем перепускной канал выходом сообщается с подпоршневой полостью, связанной с выходной полостью через дроссельные отверстия. Кроме того, в поршне установлен подпружиненный сбросной клапан, который открывается сразу же в начале перемещения поршня. Недостатком известного регулятора является то, что его сбросной клапан остается открытым на протяжении всего перемещения поршня. Это вызывает дополнительный расход среды, приводящей поршень в движение и требует, соответственно, создания большего проходного сечения в импульсном клапане (большего его открытия). Конструктивное увеличение пропускной способности импульсного клапана ведет к росту весогабаритных характеристик регулятора или сужению зоны регулирования и снижению чувствительности регулятора, что особенно ощутимо при регулировании давления в зоне малых расходов. Кроме того, к недостаткам указанного устройства относится возникновение колебательных движений поршня в момент открытия импульсного клапана при перетоке газа из надпоршневой в подпоршневую полость. Следствием этих колебаний является возникновение вибраций трубопроводов потребителей. Особенно это явление усиливается при использовании в трубопроводах расхода газа с давлением в сотни атмосфер и расходом несколько десятков килограмм в секунду.
Наиболее близким аналогом того же назначения, выбранным за прототип полезной модели, является регулятор давления (см. Авторское свидетельство СССР №1053073, кл. G05D 16/10, 1982). Регулятор содержит корпус с двумя входными и выходным каналами, управляющей и выходной полостями, установленный в нем чувствительный элемент, связанный с клапаном, и пружину задания с регулировочным винтом. Один из входных каналов с установленным в нем первым регулируемым дросселем сообщен с управляющей полостью, связанной с выходной полостью каналом с размещенным в нем вторым регулируемым дросселем. Подача в управляющую полость командного давления газа позволяет расширить диапазон рабочих расходов газа через регулятор и обеспечить выдачу смеси двух газов потребителям с большим расходом. Однако отсутствие в поршне сбросного клапана ухудшает динамические характеристики регулятора.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- обеспечение стабильной работы при высоких давлениях газа на входе в регулятор и широком диапазоне изменения расхода и давления газа потребителем на выходе из регулятора;
- улучшение динамических характеристик работы регулятора. Поставленные задачи решаются тем, что регулятор давления газа, содержит корпус с расположенными в нем смежно входной, выходной и управляющей полостями. Полости снабжены соответственно входным, выходным и управляющим каналами. Входная и выходная полости  сообщаются между собой. В корпусе соосно размещены напротив друг друга чувствительный элемент поршневого типа с пружиной и, сопряженный с поршнем через толкатель, перепускной регулирующий узел. Узел выполнен в виде седла в корпусе между входной и выходной полостями и клапана поджатого пружиной к седлу. Причем поршень установлен в управляющей полости, обращен днищем в выходную полость и нагружен пружиной в  сторону противоположную перепускному узлу, который расположен во входной полости.
Новым в соответствии с полезной моделью является то, что регулятор дополнительно содержит крышку корпуса, сопряженную с корпусом через цилиндрическую проставку. Проставка имеет со стороны выходной полости торцевую стенку со сквозными отверстиями. Регулятор также содержит сообщающийся с выходной полостью корпуса вспомогательный патрубок, сбросной и предохранительный клапаны. Причем управляющая полость расположена в крышке, а поршень чувствительного элемента - в проставке. При том, поршень нагружен дополнительно несколькими пружинами по окружности. Клапан перепускного регулирующего узла выполнен полым с внутренними соосными седлом и сквозным отверстием на выходе. При этом, в нем дополнительно установлен сбросной клапан, поджатый к соосному седлу пружиной клапана перепускного узла. Осевое отверстие клапана препускного узла на выходе имеет боковые отверстия, сообщающиеся с выходной полостью. Кроме того, толкатель закреплен жестко одним концом в поршне. На свободном конце толкатель выполнен ступенчатым и через осевое отверстие клапана перепускного узла и торцевые зазоры контактирует торцем свободного конца со сбросным клапаном и ступенчатым торцем - с клапаном перепускного узла. Причем зазор между ступенчатым торцем толкателя и клапаном перепускного узла превышает зазор между торцем свободного конца толкателя и сбросным клапаном.
Выполнение корпуса регулятора с крышкой, сопряженной с последним через цилиндрическую проставку, имеющую со стороны выходной полости торцевую стенку со сквозными отверстиями, позволяет соосно разместить внутри корпуса поршень чувствительного элемента с пружиной и сопряженный с поршнем через толкатель перепускной регулирующий узел. Это обеспечивает стабильную работу регулятора с большим ресурсом.
Сообщающийся с выходной полостью корпуса вспомогательный патрубок обеспечивает соединение предохранительного клапана с выходной полостью корпуса для улучшения динамических характеристик регулятора.
Сообщающийся с выходной полостью корпуса сбросной клапан обеспечивает разгрузку перепускного регулирующего клапана от большого усилия на открытие, создаваемого высоким давлением газа во входной полости.
Сообщающийся с выходной полостью корпуса предохранительный клапан обеспечивает сброс давления газа в случае резкого повышения давления в выходной полости из-за прекращения расхода газа потребителем.
Расположение управляющей полости в крышке корпуса обеспечивает точность сборки регулятора и надежность работы чувствительного элемента.
Расположение поршня чувствительного элемента в проставке позволяет обеспечить заданную герметичность пары трения скольжения, повысить ремонтопригодность конструкции и увеличить ресурс стабильной работы регулятора.
Нагружение поршня чувствительного элемента дополнительно несколькими пружинами по окружности обеспечивает плавное без заеданий перемещение поршня в проставке.
Выполнение клапана перепускного регулирующего узла полым с внутренним соосным седлом и сквозным отверстием на выходе, в котором дополнительно установлен сбросной клапан, поджатый к соосному седлу пружиной клапана перепускного узла, позволяет закрывать перепускной и сбросной клапаны одной пружиной и открывать эти клапаны одним толкателем. Это обеспечивает стабильную работу клапанов при высоких давлениях газа на входе в регулятор.
Снабжение осевого отверстия клапана перепускного узла на выходе боковыми отверстиями, сообщающимися с выходной полостью, обеспечивает при открытии клапана стабильный сброс давления газа из входной полости в выходную.
Жесткое закрепление толкателя одним концом в поршне, выполнение свободного конца толкателя ступенчатым, контактирование свободного конца толкателя через осевое отверстие клапана перепускного узла и торцевые зазоры со сбросным клапаном и ступенчатым торцем - с клапаном перепускного узла позволяет плавно поддерживать заданное давление в выходной полости при переменном расходе газа и улучшает динамические характеристики работы регулятора.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и уточнение.
Предохранительный клапан может быть установлен на свободном конце вспомогательного патрубка и включать полый корпус с кольцевым седлом на стыке с патрубком, тарельчатый уплотнительный элемент грибкового типа, который поджат к седлу полым поршнем, с установленной в нем пружиной. Это обеспечивает стабильную работу регулятора в широком диапазоне изменения расхода и давления газа потребителем.
Кроме того, полость поршня клапана может быть соединена с управляющей полостью корпуса регулятора трубопроводом, а полость корпуса клапана между поршнем и уплотнительным элементом должна быть сообщена с атмосферой сквозными отверстиями.
Это позволяет воздействовать управляющим командным давлением на работу предохранительного клапана, чтобы уменьшить пульсации давления газа в регуляторе и расширить диапазон изменения расхода и давления газа потребителем на выходе регулятора.
Торцевая стенка проставки крышки корпуса может иметь снаружи ребра и быть снабжена кольцевым экраном жестко скрепленным со стенкой по внутренней кромке. Это обеспечивает равномерное изменение температуры и деформации проставки и поршня при изменении температуры газа в регуляторе.
Таким образом решены поставленные в полезной модели задачи:
- обеспечена стабильная работа регулятора при высоких давлениях газа на входе в регулятор и широком диапазоне изменения расхода и давления газа потребителем на выходе регулятора;
- улучшены динамические характеристики работы регулятора. Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы регулятора давления газа со ссылкой на фиг.1-3, где:
На фиг.1 изображен регулятора давления газа в продольном разрезе;
на фиг.2 - элемент I фиг.1;
на фиг.3 - элемент II фиг.1.
Регулятор давления газа изображенный на фиг.1 содержит корпус 1 с расположенными в нем смежно входной 2, выходной 3 и управляющей 4 полостями, снабженными соответственно входным 5, выходным 6 и управляющим 7 каналами. Входная 2 и выходная 3 полости сообщаются между собой. В корпусе 1 соосно напротив друг друга размещены чувствительный элемент 8 поршневого типа с пружинами 9 и сопряженный с поршнем 8 через толкатель 10, перепускной регулирующий узел 11. Узел 11 выполнен (см. фиг.2) в виде седла 12 в корпусе 1 между входной 2 и выходной 3 полостями и клапана 13 поджатого пружиной 14 к седлу 12. Причем поршень 8 установлен в управляющей 4 полости, обращен днищем 15 в выходную 3 полость и нагружен пружинами 9 в сторону противоположную перепускному регулирующему узлу 11, который расположен во входной 2 полости. Регулятор дополнительно содержит крышку 16 корпуса 1, сопряженную с корпусом 1 через цилиндрическую проставку 17, имеющую со стороны выходной 3 полости торцевую стенку 18 со сквозными отверстиями 19. С выходной полостью 3 корпуса 1 сообщаются также вспомогательный патрубок 20, сбросной и предохранительный 21 клапаны. Управляющая 4 полость расположена в крышке 16, а поршень 8 чувствительного элемента - в проставке 17. Поршень 8 нагружен шестью пружинами 9 по окружности. Клапан 13 (см. фиг.2) перепускного регулирующего узла 11 выполнен полым с внутренними соосными седлом 22 и сквозным отверстием 23 на выходе. В клапане 13 дополнительно установлен сбросной клапан 24. Клапан 24 поджат к соосному седлу 22 пружиной 14 клапана 13 перепускного узла 11. Осевое отверстие 23 клапана 13 препускного узла 11 на выходе имеет боковые отверстиями 25, сообщающиеся с выходной 3 полостью. Кроме того, толкатель 10 жестко закреплен одним концом в поршне 8. На свободном конце толкатель 10 выполнен ступенчатым и через осевое отверстие 23 клапана 13 перепускного узла 11 и торцевые зазоры А и Б контактирует торцем 26 свободного конца со сбросным клапаном 24 и ступенчатым 27 торцем - с клапаном 13 перепускного узла 11. Следует отметить, что зазор А равен одному миллиметру, а зазор Б - трем миллиметрам.
Предохранительный 21 клапан (см. фиг.3) установлен на свободном конце вспомогательного 20 патрубка. Клапан 21 включает полый 28 корпус с кольцевым 29 седлом на стыке с патрубком 20, тарельчатый уплотнительный элемент 30 грибкового типа, который поджат к седлу 29 полым поршнем 31, с установленной в нем пружиной 32. Кроме того, полость поршня 31 клапана 21 соединена с управляющей 4 полостью корпуса 1 регулятора трубопроводом 33. Полость корпуса 28 клапана 21 между поршнем 31 и уплотнительным элементом 30 сообщена с атмосферой сквозными отверстиями 34.
Торцевая стенка 18 проставки 17 крышки 16 корпуса 1 имеет снаружи ребра 35 и снабжена кольцевым экраном 36 жестко скрепленным со стенкой 18 по внутренней кромке.
В нерабочем положении регулятора избыточное давление во входной 2, выходной 3 и управляющей 4 полостях корпуса 1 отсутствует. Поршень 8 чувствительного элемента пружинами 9 нагружен в сторону противоположную перепускному регулирующему узлу 11. Клапаны 13 и 24 пружиной 14 поджаты соответственно к седлам 12 и 22. Торцем 26 свободного конца толкатель 10 расположен относительно торца сбросного клапана 24 с зазором А и ступенчатым торцем 27 относительно торца клапана 13 перепускного узла 11 с зазором Б. Уплотнительный элемент 30 предохранительного клапана 21 поджат к седлу 29 поршнем 31 с установленной в нем пружиной 32.
Регулятор давления работает следующим образом.
Газ (воздух) высокого давления от одного источника подается во входную полость 2 через канал 5. Газ высокого давления (командный) от другого источника подается в управляющую полость 4 через канал 7.
При подаче газа во входную полость 2 клапаны 13 и 24 поджимаются соответственно к седлам 12 и 22 пружиной 14 и давлением газа, герметизируя их.
При подаче давления командного газа в канал 7 управляющей полости 4 поршень 8 с толкателем 10 премещаются в сторону перепускного регулирующего узла 11, сжимая пружины 9. Толкатель 10 движется месте с поршнем 8 и выбрав зазор А, открывает сбросной клапан 24. Давление газа во входной полости 2, воздействующее на прижатие клапана 13 к седлу 12, уменьшается. Существенно снижается усилие на открытие клапана 13. Толкатель 10, продолжая движение, выбирает зазор Б и полностью открывет клапан 13 регулирующего органа 11. При этом газ из входной полости 2, дросселируясь между седлом 12 и клапаном 13, проходит в выходную полость 3 с заданным давлением для подачи потребителям. Одновременно из управляющей полости 4 газ через трубопровод 33 поступает в полость поршня 31 предохранительного клапана 21 и через поршень 31, нагружает уплотнительный элемент 30 усилием на прижатие к седлу 29, герметизируя его. В случае внезапного повышения давления в выходной полости 3, например при резком отключении потребителей, давление газа в полости 3 снижается через вспомогательный патрубок 20 и предохранительный клапан 21. Клапан 21 открывается автоматически при повышении давления газа в выходной полости 3 над давлением командного газа в управляющей полости 4 и полости поршня 31. Из клапана 21 газ с избыточным давлением через отверстия 34 выходит в атмосферу.
При дросселировании газа через перепускной регулирующий узел 11 его температура снижается, охлаждая элементы конструкции регулятора. В том числе охлаждается проставка 17, внутри которой движется поршень 8. Это может приводить к деформации и затиранию поршня 8 в проставке 17. При дросселировании газа в выходную полость 3 экран 36, размещенный над ребрами 35 торцевой стенки 18 проставки 17, обеспечивает равномерное изменение температуры в проставке 17 и поршне 8, исключает их затирание.
К настоящему времени изготовлено несколько экземпляров регуляторов, которые успешно проверены на стендах ЦИАМ.