Регулятор давления

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к приборам для регулирования давления жидких сред и может быть использовано в системах водоснабжения. Цель изобретения - повышение точности и надежности, снижение габаритов и массы регулятора. Регулятор содержит корпус, входную и выходную полости, полость управления, чувствительный элемент, пружину, затвор, седло, шток, задающую полость. Указанная цель достигается выполнением стенки отверстия седла в выходной полости перфорированной, что позволило расположить зазор со стороны входной полости и обеспечить ему со штоком заполнение функций дополнительного чувствительного элемента с отрицательно-обратной связью по входному давлению, а также выполнение основного чувствительного элемента в виде стакана, установленного в цилиндрической части корпуса, герметизированного мембраной с гофром и подпружиненного относительно крышки, которая образует с корпусом резьбовую пару. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в гидравлических системах для автоматического регулирования рабочей среды.

Известен регулятор давления с циркулирующим управляющим потоком. Такой регулятор имеет корпус, входную и выходную полости, регулирующий орган (авт. св. СССР N 1661729, кл. G 05 D 16/10, 1991).

Ввиду циркуляции управляющего потока через канал малого сечения с дросселем, безотказная работа регулятора зависит от чистоты рабочей среды.

Указанный недостаток устранен в регуляторах давления с подпружиненным чувствительным элементом.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному результату является регулятор давления, содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и затвора, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом с мембраной, герметично разделяющей корпус на полость управления, соединенную с выходной полостью, и задающую полость с расположенной в ней пружиной (авт. св. СССР N1533958, кл. G 05 D 16/06, 1990).

Этот регулятор имеет значительные габариты, обусловленные применением чувствительного элемента мембранного типа и усилением пружины для устранения возникновения автоколебаний из-за охвата регулятора положительной обратной связью по входному давлению, в связи с расположением затвора со стороны выходной полости.

Кроме того, такое расположение затвора снижает точность поддержания давления за счет сложения погрешностей, возникающих от действующих в одном направлении переменных составляющих сил от пружины и входного давления.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Для достижения указанной цели в известном регуляторе давления, содержащем корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и затвора, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом с мембраной, герметично разделяющей корпус на полость управления, соединенную с выходной полостью, и задающую полость с расположенной в ней пружиной, согласно изобретению в корпусе в выходной полости выполнена перфорированная стенка седла, что позволило расположить затвор со стороны входной полости, в верхней части корпуса, выполненного цилиндрическим, установлена крышка, образующая с ним резьбовую пару, чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического стакана, установленного в задающей полости верхней части корпуса и подпружиненного относительно крышки, мембрана выполнена с гофром, которым закреплена в корпусе, а центральной частью - на чувствительном элементе.

Конец пружины со стороны чувствительного элемента соединен посредством втулки с тягой, образующей с крышкой резьбовую пару, полость управления соединена с выходной полостью каналом, выполненным в корпусе, затвор в пределах рабочего хода малых расходов имеет коническую форму, обращенную к седлу, а шток имеет поперечное сечение s₁, связанное с разностью верхнего и нижнего пределов входного давления (P₂ - P₁), жесткостью пружины z и ее рабочим ходом h_p на номинальном расходе соотношением s₁(P₂ - P₁) = zh_p.

Выполнение чувствительного элемента в виде стакана позволило ограничить его габариты эффективной площадью, расположение затвора со стороны входной полости устранило возможность возникновения автоколебаний за счет охвата регулятора отрицательно-обратной связью по входному давлению, а в целом и совмещение настройки с крышкой позволили снизить габариты регулятора.

Расположение затвора во входной полости обеспечивает согласованное действие сил от входного и выходного давлений, действующих на эффективные площади затвора и чувствительного элемента и позволяет компенсировать переменную составляющую силу пружины, обусловленную ее жесткостью, переменной составляющей силой, обусловленной изменением входного давления, действующего на эффективную площадь затвора и тем самым повысить точность регулирования давления.

Применение для герметизации мембраны с гофром в сочетании с примененным чувствительным элементом обеспечивает последнему высокую надежность при сохранении низкого трения.

С целью сохранения в регуляторе функций запорного вентиля конец пружины со стороны чувствительного элемента соединен посредством втулки с тягой, образующей с крышкой резьбовую пару.

Соединение полости управления с выходной полостью каналом, выполненным в корпусе, является наиболее оптимальным вариантом.

Выполнение затвора в пределах рабочего хода малых расходов с конической поверхностью, обращенной к седлу, позволяет предотвратить повышение давления на выходе при закрывании сети после регулятора и повысить надежность герметизации регулирующего органа в закрытом состоянии.

Для обеспечения на номинальном расходе полной компенсации переменной составляющей силы пружины переменной составляющей силой от входного давления, шток имеет поперечное сечение s₁, связанное с разностью верхнего и нижнего пределов входного давления (P₂) - P₁), жесткостью пружины z и ее рабочим ходом h_p соотношением s₁(P₂ - P₁) = zh_p.

На чертеже показан пример выполнения регулятора давления.

Регулятор давления содержит корпус 1 с входной полостью 2 и выходной 3, соединенной каналом 4 с полостью управления 5, которая разделена от задающей полости 6 мембраной 7 с гофром, которым закреплена в корпусе 1, а центральной частью на чувствительном элементе 8, выполненным в виде цилиндрического стакана, установленного в задающей полости 6, в верхней цилиндрической части корпуса 1, и подпружиненного пружиной 9 относительно крышки 10, образующей с верхней цилиндрической частью корпуса 1 резьбовую пару, регулирующий орган, выполненный в виде седла 11, стенка отверстия которого в выходной полости 3 перфорирована, и затвора 12, который расположен со стороны входной полости 2, связан штоком 13 с чувствительным элементом 8 и имеет в пределах рабочего хода малых расходов коническую форму, обращенную к седлу 11.

Конец пружины 9 со стороны чувствительного элемента 8 соединен посредством втулки 14 с тягой 15, образующей с крышкой резьбовую пару.

Регулятор давления работает следующим образом. Для регулятора характерны два основных режима работы - динамических и статических. В динамическом режиме при повышении (понижении) давления во входной 2 и (или) выходной 3 полостях затвор 12 подходит ( отходит) к седлу 11 (от седла 11), предотвращая повышение (понижение) и (или) восстанавливая давление на выходе.

При этом выходное давление автоматически поддерживается постоянным в диапазоне изменения входного давления от нижнего до верхнего пределов и изменения выходного давления путем уравновешивания силы пружины 9 с одной стороны и с другой - сил от воздействия давления в полости управления 5 на эффективную площадь чувствительного элемента 8 и входного давления на эффективную площадь затвора 12, равную площади сечения штока 13, причем постоянная составляющая сила пружины 9, соответствующая нижнему пределу входного давления и определяющая величину поддерживаемого давления на выходе, уравновешивается силой от воздействия выходного давления на эффективную площадь чувствительного элемента 8 и постоянной составляющей силой от действия нижнего предела входного давления на площадь сечения штока 13, а переменная составляющая сила пружины 9, обусловленная ее жесткостью, уравновешивается переменной составляющей силой от воздействия переменной составляющей входного давления на эффективную площадь затвора 12, равную площади сечения штока 13, причем на номинальном расходе обеспечивается соотношением zh = (P_вх - P₁)s₁, где z - жесткость пружины; h - рабочий ход пружины в динамическом режиме на номинальном расходе; P_вх - входное давление; P₁ - нижний предел входного давления; s₁ - площадь сечения штока,
или
zh_p = (P₂ - P₁)s₁,
где
h_p - полный рабочий ход пружины в динамическом режиме на номинальном расходе;
P₂ - верхний предел входного давления,
а поддерживаемое на входе давление определяется выражением

где F₀ - постоянная составляющая сила пружины, соответствующая нижнему пределу входного давления в динамическом режиме на номинальном расходе;
s₃ - эффективная площадь чувствительного элемента.

При закрывании сети после регулятора при нижнем пределе входного давления P₁ возрастание выходного давления P₃ от динамического давления P_д потока гасится увеличением объема полости управления 5 за счет перемещения чувствительного элемента 8 и давление на выходе равно

где
h_п - полный рабочий ход пружины;
s₂ - максимальная эффективная площадь затвора (площадь сечения отверстия седла).

При верхнем пределе входного давления, в связи с малым рабочим ходом чувствительного элемента 8 от открытого до закрытого состояния, динамическое давление P_д гасится не полностью и давление P₃ на выходе устанавливается в пределах

В целом величина выходного давления P₃ после закрытия сети на выходе (статический режим) поддерживается в пределах диапазона

При открывании сети после регулятора давление в полости управления 5 падает и сила пружины 9, преодолевая меньшую по величине силу от воздействия входного давления на максимальную эффективную площадь s₂ затвора 12, открывает регулирующий орган, причем надежность открытия гарантируется выбором силовой характеристики пружины 9 из условия
F₀ ≥ P₂s₂.

В экстремальных случаях регулятор может быть переведен в состояние закрытого регулирующего органа путем снятия давления пружины 9 на чувствительный элемент 8 с помощью тяги 15. При этом под действием входного и выходного давлений соответственно на затвор 12 и чувствительный элемент 8 регулирующий орган закрывается и остается в закрытом состоянии после полного падения на входе за счет воздействия входного давления на максимальную эффективную площадь затвора 12.

При возврате пружины 9 в первоначальное положение регулятор переходит в один из основных режимов работы.

Настройка регулятора на заданное давление производится на номинальном расходе с помощью крышки 10 путем создания определенной силы, воздействующей на чувствительный элемент 8 со стороны пружины 9.

Формула изобретения

1. Регулятор давления, содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми расположен регулирующий орган, выполненный в виде седла и затвора, связанного штоком с подпружиненным чувствительным элементом с мембраной, герметично разделяющей корпус на полость управления, соединенную с выходной полостью, и задающую полость с расположенной в ней пружиной, отличающийся тем, что в корпусе, в выходной полости, выполнена перфорированная стенка седла, при этом затвор расположен со стороны входной полости, в верхней части корпуса, выполненного цилиндрическим, установлена крышка, образующая с ним резьбовую пару, чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического стакана, установленного в задающей полости верхней части корпуса и подпружиненного относительно крышки, мембрана выполнена с гофром, которым закреплена в корпусе, а центральной частью - на чувствительном элементе.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что конец пружины со стороны чувствительного элемента соединен посредством втулки с тягой, образующей с крышкой резьбовую пару.

3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что полость управления соединена с выходной полостью каналом, выполненным в корпусе.

4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что затвор в пределах рабочего хода малых расходов имеет коническую форму, обращенную к седлу.

5. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что шток имеет поперечное сечение s₁, связанное с разностью верхнего и нижнего пределов входного давления (P₂ - P₁), жесткостью пружины z и ее рабочим ходом h_p на номинальном расходе соотношением
s₁(P₂ - P₁) = zh_p.

РИСУНКИ

Рисунок 1