Регулятор давления газа

 

Изобретение относится к регуляторам прямого действия и может быть использовано в системах газоснабжения с давлением ниже атмосферного для его редуцирования и поддержания в заданных пределах. Регулятор содержит корпус с входной и выходной полостями, установленный между ними запорно-регулирующий клапан, соединенный через рычаг и толкатель с чувствительным элементом, выполненным в виде нагруженной пружиной задания мембраны. Направление перемещения центра мембраны перпендикулярно направлению движения клапана. Толкатель связан с мембраной через нелинейный упругий элемент, а в корпусе выполнена опорная поверхность, ограничивающая перемещение мембраны величиной не более величины перемещения мембраны при критическом перепаде давлений на мембране. Нелинейный упругий элемент выполнен в виде взаимодействующей с толкателем предварительно сжатой пружины, установленной в стяжке, закрепленной на мембране, или с использованием двух сжатых пружин, или постоянного магнита (или электромагнита), или пружины и магнита. Технический результат состоит в том, что при высокой чувствительности регулятора при регулировании давления или расхода при перепадах на мембране 1-2 торр он выдерживает перегрузки при срыве вакуума до 1 атм без замены деталей или перенастройки. 5 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройствам регулирования давления газа прямого действия и может быть использовано в системах газоснабжения с низким (ниже атмосферного) давлением газа для его редуцирования и поддержания в заданных пределах.

Известен регулятор давления газа прямого действия "после себя", содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми установлен запорно-регулирующий клапан, связанный с чувствительным элементом в виде подпружиненной мембраны с помощью рычажного механизма, причем направление перемещения центра мембраны перпендикулярно направлению движения клапана. В качестве пружины, нагружающей мембрану на заданное давление газа на выходе из регулятора, может быть использована как обычная винтовая пружина, так и пневмопружина [Кошарский Б. Д. и др. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины. Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1968. c.349. рис. VI.2.].

Данный регулятор давления (например, типа РД- 32М-10Н) редуцирует давление газа с 0,05-3 кг/см² до давления на выходе 90-210 мм водяного столба и поддерживает его с определенной точностью на уровне, определяемом настройкой пружины задания. Существенным недостатком данного регулятора является то, что он не может обеспечить высокую точность регулирования давления газа из-за наличия по меньшей мере трех шарниров в рычажном механизме, а его функциональные возможности ограничены только поддержанием давления газа в линии после себя и обеспечение работы в режиме "до себя" сопряжено с усложнением конструкции.

Известен также регулятор давления газа [Патент РФ N 2018907, кл. G 05 D 16/06, 22.06.1992], содержащий корпус с входной и выходной полостями, установленный между ними запорно-регулирующий клапан, соединенный через рычаг с чувствительным элементом, выполненным в виде нагруженной пружиной задания мембраны, направление перемещения центра которой перпендикулярно направлению движения клапана, рычаг связан с мембраной через упругий толкатель, выполненный в виде плоской пружины, один конец которой закреплен в центре мембраны, а другой жестко соединен с концом рычага, взаимодействующим с запорно-регулирующим клапаном. В этом регуляторе седло и направляющий элемент клапана установлены в соосные сквозные расточки в стенке корпуса, разделяющей входную и выходную полости, с возможностью взаимной перестановки их местами, а толкатель выполнен Г-образной формы.

Недостаток известного регулятора состоит в том, что для работы в вакуумных системах с агрессивными средами при регулировании перепадов давления в 1-2 торр к чувствительному элементу регулятора, который выполняется, как правило, в виде мембраны из тонкой нержавеющей стали, предъявляются противоречивые требования: с одной стороны, такой регулятор при ограниченном перемещении центра мембраны при закрытом клапане должен точно работать в режиме регулятора давления, а при открытом клапане и ходе центра мембраны до 2-3 мм точно работать в режиме регулятора расхода и, следовательно, иметь довольно тонкую мембрану, но, с другой стороны, при перепадах давления на мембране вплоть до атмосферного давления в аварийных ситуациях в вакуумной системе или при настройке пневмопружины регулятора такая мембрана выходит из строя. При этом, как правило, регулятор теряет настройку, детали передаточного механизма деформируются, а мембрана при перепаде давлений более критического, которое при точности регулирования 1 - 2 торр составляет для известных материалов, пригодных для работы в агрессивных средах, 40 - 70 торр, получает необратимые пластические деформации и подлежит замене.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей регулятора и повышение работоспособности конструкции при перепадах давления на мембране вплоть до атмосферного.

Цель достигается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем корпус с входной и выходной полостями, установленный между ними запорно-регулирующий клапан, соединенный через рычаг и толкатель с чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны, направление перемещения центра которой перпендикулярно направлению движения клапана, толкатель связан с мембраной через нелинейный элемент, а в корпусе выполнена опорная поверхность, ограничивающая перемещение мембраны величиной не более перемещения мембраны при критическом перепаде давлений на мембране.

При этом нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлена с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с концом толкателя предварительно сжатая пружина.

Кроме того, нелинейный элемент может быть выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлены с возможностью осевого перемещения две предварительно сжатые пружины, между которыми установлен конец толкателя.

Дополнительно, нелинейный элемент может быть выполнен в виде закрепленного на мембране постоянного или электрического магнита с возможностью взаимодействия его полюса с концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

Кроме того, нелинейный элемент может быть выполнен в виде закрепленной на мембране тяги и постоянного или электрического магнита, установленного на тяге с возможностью осевого перемещения и взаимодействия его полюса с концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

Кроме того, нелинейный элемент может быть выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлены с возможностью осевого перемещения предварительно сжатая пружина и постоянный или электрический магнит с возможностью взаимодействия его полюса с концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

Такая конструкция регулятора обеспечивает расширение его функциональных возможностей путем увеличения диапазона регулирования и обеспечения работоспособности конструкции при перепадах давления на мембране вплоть до атмосферного давления, что достигается введением в конструкцию регулятора нелинейного элемента, который, с одной стороны, обеспечивает передачу на клапан от мембраны необходимого для регулирования усилия без своей деформации (чем достигается необходимая точность регулирования), а с другой стороны, ограничивает передаваемое на центр мембраны усилие и позволяет мембране смещаться в осевом направлении при закрытом клапане и неподвижном передаточном механизме. При этом во время работы регулятора как в режиме регулирования расхода, так и при работе регулятора в режиме регулирования давления перемещение мембраны ограничивается только опорной поверхностью, выбранной из расчета сохранения работоспособности регулятора при перепадах давления на мембране до атмосферного давления и величины усилия в центре мембраны, передаваемого на нелинейный элемент. При этом пневмопружина задания может настраиваться на любую величину давления вплоть до атмосферного независимо от фактической величины давления в регулируемой трассе.

Таким образом, совокупность существенных признаков в заявляемом регуляторе давления газа обеспечивает по сравнению с известными из уровня техники решениями расширение функциональных возможностей регулятора и повышение работоспособности конструкции при перепадах давления на мембране вплоть до атмосферного.

На чертежах схематично показаны варианты выполнения регулятора и его элементов.

На фиг. 1 показан регулятор давления газа "после себя" с вариантом выполнения нелинейного элемента; на фиг. 3, 5, 7 и 9 показаны другие варианты выполнения нелинейного элемента регулятора; на фиг. 2, 4, 6, 8 и 10 показаны силовые характеристики вариантов соответственно.

Применительно к регулятору давления газа "после себя" на фиг. 1 в корпусе 1 с входной 2 и выходной 3 полостями установлен запорно-регулирующий клапан 4 с возможностью возвратно-поступального перемещения относительно направляющего элемента 5 и седла 6, которые установлены соосно в расточках стенки корпуса 1, разделяющей полости 2 и 3. Клапан 4 при помощи шарнирно закрепленного в корпусе рычага 7 и толкателя 8 связан с чувствительным элементом, выполненным в виде упругой мембраны 9, герметично установленной в корпусе 1 и отделяющей выходную полость 3 от полости 10 давления настройки регулятора, создаваемого через штуцер 11 внешним источником давления газа. Для обеспечения углового перемещения рычага 7 и поступательного движения связанного с ним клапана 4 при прогибе мембраны 9 в обоих направлениях толкатель 8 выполнен плоским Г-образной формы и соединен одним концом с рычагом 7, а горизонтальным концом 12 с нелинейным элементом. Нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной в центре мембраны 9 стяжки, состоящей из стержня 13, установленной на нем с возможностью осевого перемещения пружины 14, предварительно поджатой гайкой 15. Между гайкой 15 и пружиной 14 на стержень надет с возможностью перемещения конец 12 толкателя 7. Внутри корпуса с обеих сторон от мембраны 9 выполнены опорные поверхности 16 и 17.

На фиг. 2 показана зависимость между силой (ось ординат) и относительным перемещением (ось абсцисс) для нелинейного элемента, установленного между мембраной 9 и толкателем 8, в вышеописанном варианте исполнения.

В варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 3 в стяжке, выполненной в виде стержня 18, установлены две пружины 19 и 20, предварительно поджатые к мембране 9 и гайке 15 соответственно шайбами 21, между которыми установлен с возможностью перемещения вдоль стержня при сжатии одной или другой пружины конец 12 толкателя.

На фиг. 4 показана зависимость между силой (ось ординат) и относительным перемещением (ось абсцисс) для нелинейного элемента, установленного между мембраной 9 и толкателем 8, в вышеописанном варианте исполнения.

В варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 5 в центре мембраны закреплен магнит (или электромагнит) 22 с вертикальным расположением полюсов, на верхнем полюсе S которого установлен конец 12 толкателя, выполненный из ферромагнитного материала.

На фиг. 6 показана зависимость между силой (ось ординат) и относительным перемещением (ось абсцисс) для нелинейного элемента, установленного между мембраной 9 и толкателем 8, в вышеописанном варианте исполнения.

В варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 7 на закрепленной в центре мембраны 9 тяге 23 установлен с возможностью осевого перемещения магнит (или электромагнит) 22 с вертикальным расположением полюсов, на верхнем полюсе S которого установлены часть 24 тяги 23, выполненная из ферромагнитного материала, и конец 12 толкателя, выполненный из ферромагнитного материала.

На фиг. 8 показана зависимость между силой (ось ординат) и относительным перемещением (ось абсцисс) для нелинейного элемента, установленного между мембраной 9 и толкателем 8, в вышеописанном варианте исполнения.

В варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 9 в закрепленной в центре мембраны 9 стяжке 25 установлен с возможностью осевого перемещения магнит (или электромагнит) 22 с вертикальным расположением полюсов и предварительно поджатая к нему пружина 26. На верхнем полюсе S магнита 22 установлен ферромагнитный конец 12 толкателя.

На фиг. 10 показана зависимость между силой (ось ординат) и относительным перемещением (ось абсцисс) для нелинейного элемента, установленного между мембраной 9 и толкателем 8, в вышеописанном варианте исполнения.

Работа регулятора давления газа "после себя" заключается в следующем.

В исходном положении клапан 4 под действием давления настройки в полости 10 на мембрану 9, которая передает усилие и перемещение через нелинейный элемент на толкатель 8 и рычаг 7, отжат от седла 6 и образует с ним наибольшее проходное сечение. При подводе входного давления и перекрытой выходной магистрали газ из входной полости 2 через дросселирующую щель между клапаном 4 и седлом 6 заполняет выходную полость 3 и сообщенную с ней полость над мембраной 9. Мембрана, прогибаясь вниз под действием возрастающего выходного давления, перемещает связанный с ним через толкатель 8 и рычаг 7 клапан 4 в сторону седла 6, что уменьшает проходное сечение, и при повышении давления в выходной полости до давления настройки регулятора клапан 4 поджимается к седлу 6. При открывании выходной магистрали к потребителю газа давление в выходной полости 3 понижается и мембрана 9 прогибается вверх, перемещает клапан 4 от седла 6, увеличивая дросселирующее сечение. При постоянном расходе газа на выходе регулятора (на установившемся режиме) величина дросселирующего сечения устанавливается такой, что на мембране 9 выходное давление уравновешивается силой давления настройки в полости 10, а расход газа через дросселирующую щель равен расходу газа потребителем. Если изменяется выходное давление или расход газа на выходе из регулятора, то изменяется и выходное давление. Однако при этом нарушается равновесие сил на мембране 9, которая прогибается, создавая усилие на упругий толкатель 8 и рычаг 7, и перемещает в соответствующее положение клапан 4, изменяя величину дросселирующего сечения на восстановление выходного давления. Если величина силы, передаваемой от мембраны 9 на толкатель 8 не превышает усилия предварительного поджатия пружины 14, то регулятор в нормальном режиме работает как известный регулятор.

При повышении давления настройки в полости 10 в результате аварийной ситуации мембрана 9 перемещается вверх и при давлении несколько ниже критического опирается вершинами гофр на верхнюю опорную поверхность 16, которая ограничивает дальнейшее перемещение мембраны. Если величина хода толкателя 8 конструктивно ограничена, при усилии между тягой и мембраной более силы предварительного сжатия пружины 14 стержень 13 перемещается относительно конца 12 толкателя 8, пружина сжимается, при этом центральная часть мембраны также опирается на поверхность 16, что предотвращает выход мембраны из строя от чрезмерного давления. Таким образом, нелинейный элемент без своей деформации ограничивает величину усилия между толкателем и мембраной заранее выбранной величиной. Выбирая жесткость пружины 14 (на фиг. 2 жесткость 0,1 кг/мм) и величину ее предварительного поджатия (на фиг. 2 поджатие 0,5 кг) можно регулировать величину поджатия клапана 4 к седлу 6 в заданных пределах и величину максимальных напряжений в мембране 9.

При работе регулятора в варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 3 передача усилия от мембраны 9 на толкатель 8 происходит в соответствии с зависимостью на фиг. 4 как при смещении мембраны вверх, так и при смещении мембраны вниз. В результате этого при срыве вакуума в полости 10 мембрана и ее центральная часть опираются на поверхность 16, а при срыве вакуума в полости 3 мембрана и ее центральная часть опираются на нижнюю поверхность 17, деформируя при этом либо предварительно поджатую пружину 19 либо 20, если ход толкателя 8 ограничен.

При работе регулятора в варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 5 передача усилия от мембраны 9 на толкатель 8 происходит через взаимодействие между магнитом 22 и ферромагнитным концом 12 толкателя в соответствии с зависимостью на фиг. 6 При повышении давления в полости 3 в результате аварийной ситуации мембрана 9 перемещается вниз и при давлении несколько ниже критического опирается вершинами гофр на нижнюю опорную поверхность 17, которая ограничивает дальнейшее перемещение мембраны. Если величина хода толкателя 8 конструктивно ограничена, при усилии между тягой и мембраной более силы притяжения между магнитом 22 и концом 12 (на фиг. 6 она составляет 1 кг), конец тяги отходит от магнита 22, после чего центральная часть мембраны также опирается на поверхность 17, что предотвращает выход мембраны из строя от чрезмерного давления.

При работе регулятора в варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 7 передача усилия от мембраны 9 на толкатель 8 происходит в соответствии с зависимостью на фиг. 8 как при смещении мембраны вверх, так и при смещении мембраны вниз. В результате этого при срыве вакуума в полости 10 мембрана и ее центральная часть опираются на поверхность 16, а при срыве вакуума в полости 3 мембрана и ее центральная часть опираются на нижнюю поверхность 17, при этом, если ход толкателя 8 ограничен и усилие в нем превышает 1 кг, разрывается связь магнита 22 либо с частью 24 тяги 23, либо с концом толкателя 12 соответственно.

При работе регулятора в варианте выполнения нелинейного элемента на фиг. 9 передача усилия от мембраны 9 на толкатель 8 происходит в соответствии с зависимостью на фиг. 10 как при смещении мембраны вверх, так и при смещении мембраны вниз. В результате этого при срыве вакуума в полости 10 мембрана и ее центральная часть опираются на поверхность 16, при этом, если ход толкателя 8 ограничен, при усилии между тягой и мембраной более силы предварительного сжатия пружины тяга 25 перемещается относительно магнита 22 с концом толкателя 12, и, сжимая пружину, центральная часть мембраны также опирается на поверхность 16, что предотвращает выход мембраны из строя от чрезмерного давления. При повышении давления в полости 3 в результате аварийной ситуации мембрана 9 перемещается вниз и при давлении несколько ниже критического опирается вершинами гофр на нижнюю опорную поверхность 17, которая ограничивает дальнейшее перемещение мембраны. Если величина хода толкателя 8 конструктивно ограничена, при усилии между тягой и мембраной более силы притяжения между магнитом 22 и концом толкателя 12 (на фиг. 10 она составляет 1 кг) конец толкателя 12 отходит от магнита 22, после чего центральная часть мембраны также опирается на поверхность 17, что предотвращает выход мембраны из строя от чрезмерного давления.

При использовании в конструкции нелинейного элемента с электромагнитом величина начального притяжения конца 12 толкателя 8 (фиг. 5, фиг. 7, фиг. 9) и части 24 тяги 23 (фиг. 7) к электромагниту 22 может регулироваться изменением величины тока в электромагните, что удобно для изменения характеристик нелинейного элемента без вмешательства в процесс регулирования и разборки регулятора (особенно при работе с агрессивными средами).

После устранения чрезмерного перепада давления на мембране 9 она отходит от верхней опорной поверхности 16 или нижней опорной поверхности 17 и под действием своей упругости восстанавливает свое центральное положение, так как мембрана не получила при аварийной ситуации пластических деформаций благодаря опиранию на поверхности 16 или 17 и срабатыванию нелинейного элемента в центре мембраны. В ненагруженном перепадом давления регуляторе нелинейный элемент также возвращается в исходное состояние, так как конец толкателя 12 притягивается к магниту 22 (фиг. 5, фиг. 7, фиг. 9), магнит 22 притягивается к части 24 тяги 23 (фиг. 7), а пружины 14, 19, 20 и 26 восстанавливают свое положение. Таким образом, после устранения перепада давления на мембране регулятор полностью готов для дальнейшего функционирования без замены его деталей или перенастройки.

Формула изобретения

1. Регулятор давления газа, содержащий корпус с входной и выходной полостями, установленный между ними запорно-регулирующий клапан, соединенный через рычаг и толкатель с чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны, направление перемещения центра которой перпендикулярно направлению движения клапана, отличающийся тем, что толкатель связан с мембраной через нелинейный элемент, а в корпусе выполнена опорная поверхность, ограничивающая перемещение мембраны величиной не более величины перемещения мембраны при критическом перепаде давлений на мембране.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлена с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с концом толкателя предварительно сжатая пружина.

3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлены с возможностью осевого перемещения две предварительно сжатые пружины, между которыми установлен конец толкателя.

4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде закрепленного на мембране постоянного или электрического магнита с возможностью взаимодействия его полюса с концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

5. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной на мембране тяги и постоянного или электрического магнита, установленного на тяге с возможностью осевого перемещения и взаимодействия его плюса с частью тяги, выполненной ферромагнитной, и концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

6. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде закрепленной на мембране стяжки, в которой установлены с возможностью осевого перемещения предварительно сжатая пружина и постоянный или электрический магнит с возможностью взаимодействия его полюса с концом толкателя, выполненным ферромагнитным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10