EA000325B1 - Gas pressure regulator (variants) - Google Patents
Gas pressure regulator (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- EA000325B1 EA000325B1 EA199700393A EA199700393A EA000325B1 EA 000325 B1 EA000325 B1 EA 000325B1 EA 199700393 A EA199700393 A EA 199700393A EA 199700393 A EA199700393 A EA 199700393A EA 000325 B1 EA000325 B1 EA 000325B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- channel
- regulator
- pressure
- connecting hole
- pusher
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D16/00—Control of fluid pressure
- G05D16/04—Control of fluid pressure without auxiliary power
- G05D16/06—Control of fluid pressure without auxiliary power the sensing element being a flexible membrane, yielding to pressure, e.g. diaphragm, bellows, capsule
- G05D16/063—Control of fluid pressure without auxiliary power the sensing element being a flexible membrane, yielding to pressure, e.g. diaphragm, bellows, capsule the sensing element being a membrane
- G05D16/0644—Control of fluid pressure without auxiliary power the sensing element being a flexible membrane, yielding to pressure, e.g. diaphragm, bellows, capsule the sensing element being a membrane the membrane acting directly on the obturator
- G05D16/0663—Control of fluid pressure without auxiliary power the sensing element being a flexible membrane, yielding to pressure, e.g. diaphragm, bellows, capsule the sensing element being a membrane the membrane acting directly on the obturator using a spring-loaded membrane with a spring-loaded slideable obturator
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Control Of Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для автоматического регулирования давления и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для регулирования давления газа, например, в редукторах баллонных для газопламенной обработки.
Для компактного хранения и удобного транспортирования значительных объемов технологического газа целесообразно подвергать газ сжатию и помещать его в сжатом виде, т.е. под высоким давлением в емкость, способную такое давление выдерживать, например, в баллон. При технологическом же потреблении газа требуется в подавляющем большинстве случаев гораздо более низкое давление. В связи с этим между емкостью для хранения сжатого газа и технологическими устройствами, потребляющими газ, устанавливаются регуляторы давления газа. Их функция заключается, с одной стороны, в снижении давления газа, выходящего из емкости, до технологического (эта функция определяет и другое принятое название этих регуляторов: редукторы) и, с другой стороны, в поддержании величины давления потребляемого газа, поступающего в технологический аппарат, на заданном уровне с допустимыми отклонениями. Во многих случаях допустимые отклонения уровня давления весьма малы, и потому к регуляторам - их конструкции и принципу действия - предъявляются высокие требования. Этим требованиям известные конструкции регуляторов давления газа не всегда могут удовлетворять.
Известен регулятор давления газа (SU, А1, № 1315955), содержащий корпус, входной и выходной каналы, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления в корпусе и состоящий из седла и запорного органа, поджатого к седлу упругим элементом, и толкатель, подвижный относительно корпуса и связывающий запорный орган с чувствительным элементом. Регулятор содержит также днище, выполненное в виде диска, служащего стенкой между полостью низкого давления и демпфирующей камерой, и упругое кольцо с радиальными пазами, расположенное между чувствительным элементом и днищем; при этом демпфирующая камера сообщается с полостью низкого давления через отверстие в днище, являющееся по существу демпфирующим дросселем, а чувствительный элемент регулятора нагружен элементом задания. Наличие упругого кольца и днища с демпфирующим дросселем увеличивает точность и устойчивость регулирования при постоянных расходах газа.
Недостатками известного регулятора являются:
изменение выходного давления регулятора вследствие изменения силы элемента задания из-за изменяющегося зазора в регулирующем дросселе при различных расходах газа, что приводит к понижению точности регулирования;
сложная, ломаная траектория движения газового потока в регуляторе оказывает дополнительное влияние на падение давления газа, что приводит к ограничению пропускной способности и ограничивает точность регулирования;
наличие дополнительных элементов в регуляторе (днища и специального упругого кольца) усложняет конструкцию.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является регулятор давления газа (SU, А1, № 1236441), содержащий корпус, полость высокого давления, соединенную с входным каналом, внутреннюю полость низкого давления, соединённую с выходным каналом и образующую центральный канал, регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и запорным органом, поджатым к седлу упругим элементом, а также демпфирующую камеру, отделённую от полости низкого давления стенкой корпуса с соединительным отверстием в ней. Соединительное отверстие, расположенное соосно с центральным каналом, соединяет полость низкого давления с демпфирующей камерой посредством эжектора, образованного жестко закрепленной в соединительном отверстии стенки корпуса трубкой и цилиндром, закрепленным на запорном органе; при этом трубка размещена с осевым и радиальным зазорами в цилиндре. Регулятор содержит также чувствительный элемент, выполненный в виде заделанной в корпус мембраны, образующей другую стенку демпфирующей камеры и взаимодействующей с элементом задания. В корпусе с возможностью осевого перемещения установлен толкатель, связывающий чувствительный элемент с запорным органом, при этом толкатель проходит через трубку эжектора с радиальным зазором и, по меньшей мере, на всей длине этой трубки выполнен с постоянным поперечным сечением, а выходной канал сообщается непосредственно с центральным каналом и расположен под углом к нему.
Известному регулятору присущи следующие недостатки:
направление движения потока газа в начале центрального канала и направление эжекции из зазора между цилиндром и трубкой расположены под прямым углом к оси выходного канала, что приводит к неупорядоченности движения газового потока и существенному снижению эжекционного эффекта, несмотря на применение скоса в цилиндре, направленного в сторону выходного канала, что в конечном итоге приводит к снижению точности регулирования;
выполнение эжектора из дополнительных элементов - жестко закреплённой трубки в цилиндрическом отверстии стенки корпуса трубки, а также цилиндра, закреплённого на запорном органе, усложняет конструкцию регулятора;
не регламентированы параметры регулятора, в частности, площадь сечения зазора между толкателем и трубкой, от которых зависит устойчивость его работы; при неверно выбранных параметрах регулятора в полости низкого давления возникают вынужденные противофазные колебания давления газа, частота которых может быть близка или равна частоте собственных колебаний системы подвижных элементов регулятора (элемент задания, упругий элемент, мембрана, толкатель, запорный орган), и в этом случае регулятор входит в автоколебательный (резонансный) режим;
сравнительно повышенная металлоёмкость, так как регулирующий дроссель и полость высокого давления размещены непосредственно в корпусе, а это требует увеличения габарита корпуса и расхода металла, зачастую дефицитного, например, латуни.
Задачей изобретения является повышение точности и стабильности автоматического поддержания давления за счет повышения плавности газового потока в полости низкого давления и эффективности эжекции, а также обеспечение устойчивости регулирования за счёт исключения возможности автоколебательного процесса в регуляторе. Еще одной задачей изобретения является упрощение конструкции и снижение металлоёмкости.
Указанные задачи решены тем, что в регуляторе расхода газа, содержащем корпус, полость высокого давления, соединенную с входным каналом, внутреннюю полость низкого давления, соединённую с выходным каналом и образующую центральный канал; регулирующий дроссель, разделяющий полости высокого и низкого давления и образованный седлом и запорным органом, поджатым к седлу с помощью упругого элемента; демпфирующую камеру, отделенную от полости низкого давления стенкой корпуса с соединительным отверстием в ней, расположенным соосно с центральным каналом и сообщающим полость низкого давления с демпфирующей камерой; чувствительный элемент в виде заделанной в корпус мембраны, образующей другую стенку демпфирующей камеры и взаимодействующей с элементом задания, толкатель, установленный с возможностью осевого перемещения в корпусе и связывающий чувствительный элемент с запорным органом, причём толкатель проходит через соединительное отверстие в стенке корпуса с зазором, а выходной канал сообщается непосредственно с центральным каналом и расположен под углом к нему, а также подводящий штуцер и вспомогательные каналы в корпусе, согласно первому варианту изобретения, вход в выходной канал сопряжен со входом соединительного отверстия, а параметры регулятора связаны выражением:
Dy = К · P/Q (1), где Dy - минимальный условный диаметр зазора между толкателем и соединительным отверстием (т.е. диаметр цилиндрического отверстия, площадь сечения которого равна минимальной площади сечения зазора), м;
Р - максимальное давление в полости высокого давления, Па;
Q - максимальный расход газа в выходном канале регулятора, м3/с;
К1 - коэффициент, К1 = (0,03... 1,93)· 10-12, с^м 5/кг.
Во втором варианте выполнения регулятора, в отличие от первого, параметры регулятора связаны выражением:
Vs~^K2 · Зл/у_(21 где S - минимальная площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием, м2;
V - максимальный объём демпфирующей камеры, м3;
К2 - безразмерный коэффициент, К2 =
0,01...0,50.
Сопряжение входа в выходной канал со входом соединительного отверстия позволяет наиболее простыми средствами создать эжекцию и демпфирование.
Один из основных параметров описываемого регулятора давления газа - площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием. Этот зазор, являющийся по существу демпфирующим дросселем, может быть образован различными сочетаниями форм толкателя и соединительного отверстия (в поперечном сечении), например, при цилиндрическом толкателе соединительное отверстие может иметь продольные пазы или иметь квадратное сечение или, наоборот, при выполнении соединительного отверстия цилиндрической формы толкатель может иметь трёхгранную форму или на его цилиндрической поверхности могут быть нанесены продольные риски.
В любом из этих случаев минимальное сечение такого зазора, обеспечивающее работоспособность регулятора, определяется выражением:
Dy = К · P/Q (1), где Dy - минимальный условный диаметр зазора между толкателем и соединительным отверстием (т.е. диаметр цилиндрического отверстия, площадь сечения которого равна минимальной площади сечения зазора), м;
P - максимальное давление в полости высокого давления, Па;
Q - максимальный расход газа в выходном канале регулятора, м3/с;
К1 - коэффициент, Ki = (0,03...1,93) · 10-12, ο·μ 5/кг;
или в другом варианте:
a/s=K2 · %V (2), где S - минимальная площадь сечения зазора между толкателем и соединительным отверстием, м2;
V - максимальный объём демпфирующей камеры, м ;
К2 - безразмерный коэффициент, К2 = (0,01...0,50).
По первому варианту параметр Р стоит в числителе выражения (1), поскольку чем больше максимальное давление на входе регулятора, тем больше должен быть диаметр чувствительного элемента, находящегося под воздействием низкого давления. Эго условие связано с необходимостью уменьшения погрешности выходного давления при изменении давления на входе регулятора, что, в свою очередь, увеличивает объем демпфирующей камеры. Увеличение объема демпфирующей камеры для обеспечения устойчивой работы регулятора требует увеличения сечения демпфирующего зазора.
Параметр Q стоит в знаменателе выражения (1), поскольку чем больше расход газа на выходе регулятора, тем сильнее эффект эжекции и тем меньшее сечение зазора необходимо для обеспечения работоспособности регулятора.
Значения коэффициента К1 определены экспериментальным путем для различных соотношений Р/Q и находятся в диапазоне (0,03...1,93)-10-12 с-м5/кг. При значениях коэффициента К1<0,03-10-12 с-м5/ет, т.е. при незначительных величинах зазора между толкателем и соединительным отверстием, газ не успевает заполнять демпфирующую камеру (или истекать из демпфирующей камеры) при изменениях расхода газа, что приводит к изменению выходного давления, т.е. снижается точность регулирования. При значениях коэффициента К1>1,93-10-12 с-м/'кг. т.е. при значительных величинах зазора между толкателем и соединительным отверстием, наблюдается возникновение автоколебаний подвижной системы регулятора, что приводит к резонансным эффектам (увеличивается амплитуда колебаний выходного давления), т.е. снижается устойчивость регулирования.
Аналогичным образом, в варианте выполнения регулятора, где параметры регулятора связаны соотношением (2). Минимальное значение площади сечения демпфирующего зазора и максимальный объём демпфирующей камеры, как показали эксперименты, являются взаимосвязанными параметрами, влияющими на работоспособность регулятора описываемой конструкции.
Увеличение объёма демпфирующей камеры для обеспечения устойчивой работы регулятора требует увеличения сечения демпфирующего зазора.
Значения коэффициента К2, связывающего эти параметры, определены экспериментальным путем и находятся в диапазоне 0,01.. 0,50. При значениях коэффициента К2<0,01, т.е. при незначительных величинах зазора между толкателем и соединительным отверстием газ не успевает заполнять демпфирующую камеру (или истекать из нее) при изменениях расхода газа, что приводит к изменению выходного давления. При этом снижается точность регулирования. При значениях коэффициента К2>0,50, т.е. при значительных величинах зазора между толкателем и соединительным отверстием, наблюдается возникновение автоколебаний газа в регуляторе, что приводит к резонансным эффектам (увеличивается амплитуда колебаний выходного давления), т.е. снижается устойчивость регулирования.
Толкатель может быть выполнен профилированным, т.е. наряду с участком с постоянным поперечным сечением, проходящим через соединительное отверстие в стенке корпуса, толкатель в зоне центрального канала имеет участок уменьшающегося по направлению к запорному органу поперечного сечения. При таком выполнении толкателя поток газа, обтекая толкатель, более плавно меняет свою траекторию при переходе из центрального канала в выходной канал.
Плоскость перехода участка толкателя с постоянным поперечным сечением в участок переменного сечения расположена за соединительным отверстием, и когда часть входа в выходной канал перекрывается участком толкателя с постоянным поперечным сечением, площадь входа в выходной канал уменьшается, а в перекрытом толкателем участке входа в выходной канал образуется область эжекции. При этом уменьшение площади входа в выходной канал и совпадение направления эжекции с направлением движения потока газа благоприятно сказываются на усилении эжекционного эффекта и стабильности работы регулятора.
Обеспечение функций демпфирования и эжекции без применения дополнительных элементов позволяет существенно упростить конструкцию регулятора.
В случае незначительного диапазона колебаний эксплуатационных характеристик регулятора предпочтительно применение изобретения по варианту 1. При значительных колебаниях этих параметров при использовании регулятора в широком диапазоне режимов работы целесообразно использовать изобретение по варианту 2.
Целесообразно, с точки зрения простоты изготовления толкателя, толкатель в зоне центрального канала выполнить с коническим участком.
Этот конический участок сужается по направлению к запорному органу, как и предусмотрено изобретением.
Для более плавного и полного поворота газового потока целесообразно толкатель в зоне центрального канала выполнить с участком, имеющим в продольном сечении форму четверти эллипса, одна ось которого параллельна оси толкателя. Такая форма толкателя обеспечивает плавную траекторию газового потока, без резких поворотов, на которых обычно происходит неуправляемое падение давления газа, хотя, с точки зрения простоты изготовления, эта форма выполнения толкателя уступает предыдущей, конической.
Для плавного расширения потока газа на входе в полость низкого давления и исключения его завихрения при дальнейшем изменении направления движения в полости низкого давления и в выходном канале, а также уменьшения возмущающих воздействий на подвижную систему и тем самым повышения устойчивости и точности регулирования, целесообразно центральный канал на участке седла, по меньшей мере, частично выполнить с коническим сужением в направлении к запорному органу.
С точки зрения создания оптимальных газодинамических условий обтекания газом толкателя и минимизации сопротивления движению газа при обтекании толкателя и повороте газового потока, целесообразно диаметр соединительного отверстия в стенке корпуса делать равным диаметру центрального канала.
Целесообразно также располагать полость высокого давления и регулирующий дроссель в подводящем штуцере, что позволяет уменьшить суммарный объем внутренних полостей, находящихся под воздействием высокого давления, уменьшить осевой габарит, а, следовательно, и металлоемкость регулятора.
Конструктивно целесообразно выполнить седло в виде втулки, зажатой между корпусом и подводящим штуцером, и в седле выполнить канал, соединяющий полость высокого давления через отверстие в корпусе с одним из вспомогательных каналов. При таком выполнении наиболее простым образом обеспечивается выход высокого давления к измерительному манометру, установленному во вспомогательном канале, и, кроме того, обеспечивается легкая заменяемость седла.
Альтернативным и при определенных условиях также целесообразным вариантом является выполнение седла за одно целое с корпусом и выполнение соединительного канала непосредственно в корпусе. При этом повышается герметичность полости высокого давления, уменьшается число деталей регулятора.
Для уменьшения размеров регулятора и его металлоемкости целесообразно вспомогательные каналы выполнять в корпусе с расположением их осей в одной плоскости с осью выходного канала.
Для повышения эффективности демпфирования при больших расходах газа мембрану чувствительного элемента целесообразно выполнять составной, по меньшей мере, из двух пластин, между которыми образована герметичная полость.
Наконец, при больших расходах газа применяется дополнительное эжектирование, которое наблюдается в процессе прохождения потока газа в выходном канале, пересекающего выход отверстия в стенке корпуса, соединяющего выходной канал с демпфирующей камерой. Дополнительное отверстие, соединяющее демпфирующую камеру с одним из вспомогательных каналов, сглаживает броски давления в демпфирующей камере вследствие нестационарного процесса эжектирования.
По сравнению с известными регуляторами давления газа описываемый регулятор обладает большей безопасностью в эксплуатации, а также имеет повышенную точность регулирования и меньшую металлоемкость. Последнее особенно важно при массовом производстве и использовании при его изготовлении дорогих цветных металлов.
В последующем настоящее изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает общий вид регулятора давления газа, в продольном разрезе, в сборе, фиг. 2 - общий вид регулятора давления газа, в продольном разрезе, в сборе (вариант конструкции), фиг. 3 - поперечный разрез А-А по регулятору на фиг. 1 или 2, фиг. 4 - место В на фиг. 1 или 2 в увеличенном масштабе, фиг. 5 - фрагмент разреза регулятора по выходному и одному из вспомогательных каналов низкого давления, вариант конструкции (фрагмент разреза С-С на фиг. 3).
Лучший вариант осуществления изобретения.
Регулятор содержит корпус 1, полость 2 высокого давления, соединённую с входным каналом 3, полость 4 низкого давления, образующую центральный канал 5, через который проходит толкатель 6, выходной канал 7, соединенный с полостью низкого давления, регулирующий дроссель 8, разделяющий полости высокого 2 и низкого 4 давления и образованный седлом 9 и запорным органом 10, поджатым к седлу 9 с помощью упругого элемента 11, демпфирующую камеру 12, отделенную от полости 4 низкого давления стенкой 13 корпуса 1 с соединительным отверстием 14 в ней, расположенным соосно с центральным каналом 5 и соединяющим полость 4 низкого давления с демпфирующей камерой 12, чувствительный элемент 15 в виде заделанной в корпус мембраны 16, образующей другую стенку демпфирующей камеры 12 и взаимодействующей с элементом задания 17. При этом толкатель 6 установлен с возможностью осевого перемещения в корпусе 1 и связывает чувствительный элемент 15 с запорным органом 10, и, кроме того, толкатель 6 проходит через соединительное отверстие 14 в стенке 13 корпуса 1 с зазором, а в зоне центрального канала 5 выполнен с участком уменьшающегося по направлению к запорному органу 10 поперечного сечения.
Выходной канал 7 сообщен непосредственно с центральным каналом 5 и расположен под углом к нему, при этом вход в соединительное отверстие 14, центральный 5 и выходной 7 каналы сопряжены, а плоскость 18 перехода участка толкателя 6 с постоянным поперечным сечением в участок переменного поперечного сечения расположена за соединительным отверстием 14. Часть входа в выходной канал 7 перекрыта участком толкателя 6 с постоянным поперечным сечением, при этом площадь входа в выходной канал 7 уменьшается, а в перекрытом толкателем 6 участке входа в выходной канал 7, расположенным непосредственно за соединительным отверстием, образована область эжекции 19.
Толкатель 6 в зоне центрального канала 5 может быть выполнен с коническим участком, или с участком, имеющим в продольном сечении форму четверти эллипса, одна ось которого параллельна оси толкателя 6, а диаметр соединительного отверстия 14 в стенке 13 корпуса 1 предпочтительно равен диаметру центрального канала 5, который, по меньшей мере, частично, на участке седла 9, выполнен с коническим сужением в направлении к запорному органу 10.
Полость 2 высокого давления и регулирующий дроссель 8 расположены в подводящем штуцере 20.
Седло 9 может быть выполнено за одно целое с корпусом 1 (фиг. 2), при этом в корпусе выполнено отверстие 23, соединяющее полость 2 высокого давления с вспомогательным каналом 21, или (фиг. 1) седло 9 может быть выполнено в виде втулки, зажатой между корпусом 1 и подводящим штуцером 20, а в седле 9 выполнен канал 22, соединяющий полость 2 высокого давления через отверстие 23 в корпусе 1 со вспомогательным каналом 21, на выходе которого установлен, например, манометр высокого давления.
Вспомогательные каналы - канал 21, подводящий газ к манометру высокого давления, канал 24 - к манометру низкого давления и канал 25 - к предохранительному клапану, выполнены в корпусе 1 с расположением их осей в одной плоскости с осью выходного канала 7.
Мембрана 16 чувствительного элемента 15 может быть выполнена составной, по меньшей мере, из двух пластин, между которыми образована герметичная демпфирующая полость 26.
В подводящем штуцере 20 установлен входной фильтр 27.
Демпфирующая камера 12 может соединяться с выходным 7 или вспомогательными каналами 24, 25 через дополнительные отверстия 28 в стенке 13 корпуса 1.
Регулятор работает следующим образом.
Поток газа из входного канала 3 через входной фильтр 27 поступает в полость 2 высокого давления и через регулирующий дроссель 8 проходит в полость 4 низкого давления. После плавного расширения в конической части центрального канала 5, и направляемый поверхностью толкателя 6 с плавно изменяющимся поперечным сечением, поток газа изменяет свое направление и поступает в выходной канал 7. При этом газ может совершать движение в зазоре между толкателем 6 и соединительным отверстием 14 в стенке 13 корпуса 1, этот зазор по существу является демпфирующим дросселем, и с задержкой по времени увеличивает или уменьшает давление в демпфирующей камере 12 в соответствии с давлением газа в полости 4 низкого давления. Газ также поступает во вспомогательные каналы 24 и 25 и подается к манометру низкого давления и предохранительному клапану соответственно, а также из полости 2 высокого давления через канал 22, выполненный в седле 9, и отверстие 23 в корпусе 1 поступает во вспомогательный канал 21, соединенный с манометром высокого давления.
В процессе работы регулятора сила элемента задания 17, с одной стороны, и сила упругого элемента 11, а также сила, обусловленная давлением газа в демпфирующей камере 12 на чувствительный элемент 15, с другой стороны, уравновешиваются, а величина зазора между запорным органом 10 и седлом 9 регулирующего дросселя 8 зависит от расхода газа регулятора. При изменении расхода газа равновесное состояние регулятора нарушается и после переходного процесса регулятор устанавливается в другое устойчивое состояние.
При переходных процессах в полости 4 низкого давления возникают вынужденные противофазные колебания давления газа, частота которых равна частоте резонансных колебаний системы подвижных элементов регулятора (элемент задания 17, упругий элемент 11, мембрана 16, толкатель 6, запорный орган 10).
Параметр регулятора - величина зазора между толкателем 6 и соединительным отверстием 14 выбирается в соответствии с выражениями (1) или (2).
Параметры регулятора, удовлетворяющие соотношениям (1) или (2), т.е. требованию устойчивости регулирования, позволяют также увеличить в общем уровень демпфирования регулятора, т.е. позволяют резко уменьшить уровень воздействия колебаний давления газа, вы11 званных другими причинами, а не только колебательными свойствами подвижной системы регулятора.
При больших расходах газа применяется дополнительное демпфирование с помощью составной мембраны 16, выполненной, по меньшей мере, из двух пластин, между которыми образована герметичная демпфирующая полость 26, при этом демпфирование происходит за счет накопления энергии при деформации мембраны 16 и сжатии воздуха в демпфирующей полости 26 при увеличении давления газа в демпфирующей камере 12 и возврата этой энергии при снижении этого давления.
В процессе истечения газа из полости 4 низкого давления в выходной канал 7 через вход в выходной канал 7 (частично перекрытый толкателем 6), в области эжекции 19 (ограниченной поверхностью толкателя 6, частью перекрытого им входа в выходной канал 7 и общей линией сопряжения соединительного отверстия 14, центрального 5 и выходного 7 каналов) уменьшается давление газа в зависимости от расхода газа, что приводит к уменьшению давления в демпфирующей камере 12 и к компенсации изменения силы элемента задания 17, вызванного изменением зазора в регулирующем дросселе 8 при изменении расхода газа, при этом давление газа на выходе регулятора стабилизируется.
При больших расходах газа применяется дополнительное эжектирование, которое наблюдается в процессе прохождения потока газа в выходном канале 7, пересекающего выход отверстия 14 в стенке 13 корпуса 1, соединяющего выходной канал 7 с демпфирующей камерой 12. Дополнительное отверстие 28, соединяющее демпфирующую камеру 12 с вспомогательным каналом 24 или 25, сглаживает броски давления в демпфирующей камере 12 вследствие нестационарного процесса эжектирования.
Сочетание всех признаков формулы изобретения, в первую очередь по π. 1 или 2, приводит к достижению указанных выше технических результатов, что было установлено экспериментальным путём на изготовленных опытных образцах. Без применения дополнительных элементов, сочетанием простых конструктивных частей, а также выбранной их конфигурацией удалось обеспечить эффективную эжекцию и демпфирование за счет того, что толкатель 6 выполнен с участком уменьшающегося по направлению к запорному органу поперечного сечения, начинающимся за соединительным отверстием 14, а выходной канал 7 сопряжен со входом соединительного отверстия 14.
Уровень демпфирования зависит от величины зазора между толкателем 6 и соединительным отверстием 14. Этот параметр подобран экспериментально, и установлено, что устойчивая работа регулятора наблюдается в определенном диапазоне значений этого параметра регулятора при заданном значении других его параметров (Р, Q или V).
Пример расчета параметров регулятора, а) По первому варианту соотношение параметров регулятора определяется выражением (1).
При максимальном давлении на входе регулятора - 2,5-106 Па, максимальном расходе на выходе регулятора - 5 м3/ч = 1,389-10'3 м3/с и коэффициенте К1=0,5-10'12 с-м5/кг, лежащем в допустимом интервале 0,03-10'12<K1<1,93-10'12, имеем:
2,5 - 106
Dy = 0,5 - 10-12 --= 0,899 - 10-3 м (0,899 мм).
1,389 - 10-3
Размерность в системе СИ:
с-м5 Па см5-кгм-с [Dy] — -· — = м.
кг м3/с кг-м2-с2-м3
При диаметре толкателя, равном 5 мм, это соответствует диаметру отверстия 5,08 мм. Это подтверждается следующим расчетом:
S отверстия = S зазора;
(0,899)2 3,14159-4 (5,08)2- (5,0)2 3,14159-4
0,63 = 0,63.
Таким образом, при указанных выше параметрах регулятора диаметральный зазор между толкателем и соединительным отверстием составляет 0,08 мм.
При выполнении зазора, соответствующего коэффициенту К1<0,03-10'1%-м5/ет, наблюдались большие перерегулирования выходного давления и замедленное установление его заданной величины, а при величинах К1>1,93-10'12 с-м7кг повышается неустойчивость работы регулятора вплоть до автоколебаний.
б) По второму варианту соотношение параметров регулятора определяется выражением (2).
При объёме демпфирующей камеры 3375-10-9 м3 (3375 мм3) и коэффициенте К2 = 0,2, лежащем в допустимом интервале 0,01<K2<0,50:
К2 - Зэ/у — 0,2 - 3У3375 · 10'^ = 3 · 10~3 м.
В случае, если зазор между толкателем и соединительным отверстием представляет собой круговое кольцо, и диаметр толкателя d равен 7-10-3 м (7 мм), для определения диаметра со13 единительного отверстия D необходимо, в соответствии с изобретением, соблюдение условия:
π
S =---(D2 - d2) - площадь кольцевого зазора.
После несложных преобразований получаем:
Таким образом, диаметр соединительного отверстия в этом случае равен:
Радиальный зазор между толкателем и соединительным отверстием в этом случае равен:
(7,77 - 7)/2 = 0,385 мм.
Итак, эффективность описанного регулятора определяется следующим.
Соединение выходного канала 7 непосредственно с центральным каналом 5, а также сопряжение входа в выходной канал со входом соединительного отверстия 14, помимо создания эжекционной области 19, позволяет существенно уменьшить объем полости 4 низкого давления за счет уменьшения ее радиального размера, что приводит к уменьшению радиального габарита и металлоемкости регулятора в целом.
Описанная конструкция имеет минимальное газодинамическое сопротивление, так как пересечение выходного 7 и центрального 5 каналов расположено непосредственно у регулирующего дросселя 8, при этом каналы от регулирующего дросселя 8 до выхода регулятора имеют минимальную длину, что обеспечивает повышенную точность регулирования и получение повышенной пропускной способности при минимальных габаритах регулятора.
То, что часть толкателя 6 на участке центрального канала 5 имеет переменное поперечное сечение, и при этом сечение толкателя 6 на этом участке увеличивается по направлению ко входу в выходной канал 7, позволяет плавно изменить направление потока газа и направить его в выходной канал 7 регулятора, обеспечивая при этом дополнительную эжекцию, т.е. повышая точность регулирования.
То, что толкатель 6 на участке соединения полости 4 низкого давления с выходным каналом 7 имеет конусную поверхность, позволяет при существенном повышении точности регулирования конструктивно упростить толкатель
6.
Выполнение толкателя 6 на участке соединения полости 4 низкого давления с выходным каналом 7 в виде тела вращения с образующей в виде четверти эллипса, одна ось которого совпадает с осью толкателя, усиливает эффект эжекции и уменьшает газодинамическое сопротивление в центральном канале 5 за счет плавного изменения направления потока на 90°, обеспечиваемого формой образующей толкателя 6, начало которой параллельно оси толкателя
6, а конец перпендикулярен этой же оси.
Степень эжекции определяется формой поверхности центрального канала 5 и толкателя 6 на участке пересечения полости 4 низкого давления и выходного канала 7 и местом расположения плоскости 18 перехода постоянного поперечного сечения толкателя 6 в переменное на этом участке.
Экспериментально установлено, что максимальная степень эжекции из демпфирующей камеры 12 наблюдается при выполнении толкателя 6 на участке соединения полости 4 низкого давления с выходным каналом 7 в виде тела вращения с образующей в виде одной четверти эллипса и при расположении плоскости 18 перехода ниже входа в соединительное отверстие 14 примерно на одну четверть диаметра выходного канала 7. При этом не наблюдалось перекомпенсации (увеличения выходного давления при увеличении расхода газа), что могло бы привести к неустойчивости регулирования.
Выполнение центрального канала 5 и соединительного отверстия 14 в виде одного цилиндра с постоянным диаметром позволяет при сохранении достигаемых технических результатов, существенно упростить конструкцию регулятора и уменьшить габариты, а следовательно, и металлоемкость.
Выполнение части внешней поверхности центрального канала 5 на участке от запорного органа 10 до пересечения с выходным каналом 7 в виде конуса обеспечивает плавное расширение потока газа на входе в полость 4 низкого давления, что исключает его завихрения при дальнейшем изменении направления движения в полости 4 низкого давления и выходном канале
7, а также уменьшает возмущающие воздействия на подвижную систему и, тем самым, повышает устойчивость и точность регулирования.
То, что оси вспомогательных каналов 21, 24 и 25 расположены в одной плоскости с осью выходного канала 7, позволяет уменьшить размеры регулятора, и, следовательно, уменьшить его металлоемкость.
Расположение полости 2 высокого давления и регулирующего дросселя 8 в подводящем штуцере 20 позволяет уменьшить суммарный объем внутренних полостей, находящихся под воздействием высокого давления, и уменьшить осевой размер корпуса 1, что позволяет уменьшить металлоемкость регулятора.
Регулятор имеет повышенную точность и стабильность регулирования, простую конст15 рукцию и пониженную металлоемкость, повышенную устойчивость регулирования за счет выбора оптимальной конфигурации и расположения элементов, при этом функции демпфирования и эжекции выполняются без дополнительных конструктивных элементов.
Изобретения могут быть использованы в баллонных одноступенчатых редукторах, в частности, пропановом, типа БПО-5 или ацетиленовом, типа Б АО-5. Типовые сравнительные испытания регуляторов давления газа, выполненных согласно изобретениям, и серийно выпускаемых редукторов типа БПО-5-2 показали, что масса предлагаемого регулятора давления газа составляет не более 0,7 кг, а масса редуктора БПО-5-2 составляет 1,6 кг.
Изменение давления на выходе регулятора давления газа, выполненного согласно изобретению, при изменении расхода газа от максимального до минимального значений составило в среднем 0,26 кгс/см1 2, а у известных редукторов БПО-5-2 этот показатель составляет в среднем 0,4^0,55 кгс/см2.
Таким образом, испытания показали, что у предлагаемого регулятора давления газа при меньшей массе (более, чем в два раза), чем у редуктора БПО-5-2, и при меньшем количестве деталей точность регулирования газа в два раза выше.
При этом предлагаемый регулятор давления газа имеет более высокую устойчивость регулирования и повышенную безопасность.
Изобретения с наибольшим успехом могут использоваться в газовых сетях, в газовых баллонах или других емкостях высокого давления при их подключении к технологической аппаратуре с целью редуцирования давления газа и его поддержания на стабильном технологическом уровне.
The invention relates to devices for automatic pressure control and can be used in various branches of engineering to control gas pressure, for example, in gas cylinder pressure regulators.
For compact storage and convenient transportation of large volumes of process gas, it is advisable to compress the gas and place it in a compressed form, i.e. under high pressure in a container that can withstand such pressure, for example, in a balloon. At the same technological gas consumption is required in most cases a much lower pressure. In this connection, gas pressure regulators are installed between the tank for storing compressed gas and technological devices that consume gas. Their function is, on the one hand, to reduce the pressure of the gas coming out of the tank to the process one (this function defines another adopted name for these regulators: gearboxes) and, on the other hand, to maintain the pressure value of the consumed gas entering the process apparatus, at a given level with tolerances. In many cases, the permissible deviations of the pressure level are very small, and therefore high requirements are imposed on the regulators — their design and principle of operation —. Known designs of gas pressure regulators may not always meet these requirements.
Known gas pressure regulator (SU, A1, No. 1315955), comprising a housing, inlet and outlet channels, a regulating choke, separating the high and low pressure cavities in the housing and consisting of a saddle and a locking member, pressed to the saddle by an elastic element, and a pusher, movable relative to the body and connecting the locking body with a sensitive element. The regulator also contains a bottom, made in the form of a disk, serving as a wall between the low-pressure cavity and the damping chamber, and an elastic ring with radial grooves, located between the sensing element and the bottom; at the same time, the damping chamber communicates with the low-pressure cavity through a hole in the bottom, which is essentially a damping choke, and the sensitive element of the regulator is loaded with a task element. The presence of an elastic ring and a bottom with a damping choke increases the accuracy and stability of regulation at constant gas flow rates.
The disadvantages of the known regulator are:
a change in the output pressure of the regulator due to a change in the force of the reference element due to the changing gap in the regulating throttle at different gas flow rates, which leads to a decrease in the control accuracy;
complex, broken trajectory of the gas flow in the regulator has an additional effect on the gas pressure drop, which leads to a restriction of throughput and limits the accuracy of regulation;
the presence of additional elements in the regulator (the bottom and a special elastic ring) complicates the design.
Closest to the invention to the technical essence is a gas pressure regulator (SU, A1, No. 1236441), comprising a housing, a high pressure cavity connected to the inlet channel, an internal low pressure cavity connected to the outlet channel and forming a central channel regulating the throttle separating cavities of high and low pressure and formed by a saddle and a shut-off organ, an elastic element pressed to the saddle, as well as a damping chamber separated from the low-pressure cavity by a wall of the housing with a connecting hole in it. A connecting hole located coaxially with the central channel connects the low-pressure cavity with the damping chamber by means of an ejector formed by a tube rigidly fixed in the connecting hole of the housing wall and a cylinder mounted on the locking organ; at the same time the tube is placed with axial and radial gaps in the cylinder. The regulator also contains a sensing element, made in the form of a membrane embedded in the body, forming another wall of the damping chamber and interacting with the task element. A pusher is mounted in the housing with the possibility of axial displacement; channel and located at an angle to it.
The well-known regulator has the following disadvantages:
the direction of gas flow at the beginning of the central channel and the direction of ejection from the gap between the cylinder and the tube are located at right angles to the axis of the output channel, which leads to disordered movement of the gas flow and a significant reduction in the ejection effect, despite the use of a bevel in the cylinder directed toward the output channel, which ultimately leads to a decrease in regulation accuracy;
the implementation of the ejector of additional elements - a rigidly fixed tube in a cylindrical hole of the wall of the tube body, as well as a cylinder mounted on a shut-off organ, complicates the design of the regulator;
the parameters of the regulator are not regulated, in particular, the cross-sectional area of the gap between the pusher and the tube, on which the stability of its operation depends; with incorrectly selected parameters of the regulator, forced antiphase oscillations of gas pressure occur in the low pressure cavity, the frequency of which may be close to or equal to the natural frequency of the system of moving elements of the regulator (task element, elastic element, diaphragm, pusher, shut-off member), and in this case enters self-oscillatory (resonant) mode;
relatively high metal consumption, since the regulating throttle and the high-pressure cavity are placed directly in the housing, and this requires an increase in the size of the housing and the consumption of metal, which is often scarce, for example, brass.
The objective of the invention is to improve the accuracy and stability of the automatic pressure maintenance by increasing the smoothness of the gas flow in the low pressure cavity and the efficiency of ejection, as well as ensuring the stability of regulation by eliminating the possibility of a self-oscillating process in the regulator. Another object of the invention is to simplify the design and reduce the metal.
These tasks are solved by the fact that in a gas flow regulator that includes a housing, a high pressure cavity connected to the inlet channel, an internal low pressure cavity connected to the outlet channel and forming the central channel; a regulating choke, separating the cavities of high and low pressure and formed by the saddle and the locking body, pressed against the saddle by means of an elastic element; a damping chamber, separated from the low-pressure cavity by a housing wall with a connecting hole in it located coaxially with the central channel and communicating a low-pressure cavity with a damping chamber; a sensitive element in the form of a membrane embedded in the body, forming another wall of the damping chamber and interacting with the task element, a pusher mounted for axial movement in the body and connecting the sensitive element to the locking member, the pusher passing through the connecting hole in the wall of the body with a gap, and the output channel communicates directly with the central channel and is angled to it, as well as the supply nipple and auxiliary channels in the housing, according to the first antu of the invention, the entrance to the output channel is connected with the input of the connecting hole, and the parameters of the regulator are related by the expression:
D y = К · P / Q (1), where D y is the minimum nominal diameter of the gap between the pusher and the connecting hole (i.e. the diameter of the cylindrical bore, the cross-sectional area of which is equal to the minimum cross-sectional area of the gap), m;
P - maximum pressure in the cavity of high pressure, Pa;
Q - the maximum gas flow rate in the output channel of the regulator, m 3 / s;
K 1 is the coefficient, K 1 = (0.03 ... 1.93) · 10 -12 , s ^ m 5 / kg.
In the second embodiment of the regulator, in contrast to the first, the parameters of the regulator are related by the expression:
Vs ~ ^ K2 · З l / y_ (21 where S is the minimum cross-sectional area of the gap between the pusher and the connecting hole, m 2 ;
V is the maximum volume of the damping chamber, m 3 ;
K 2 - dimensionless coefficient, K 2 =
0.01 ... 0.50.
Pairing the input to the output channel with the input of the connecting hole allows the simplest means to create ejection and damping.
One of the main parameters of the described gas pressure regulator is the cross-sectional area of the gap between the pusher and the connecting hole. This gap, which is essentially a damping choke, can be formed by various combinations of pusher shapes and connecting holes (in cross section), for example, when a cylindrical pusher connecting holes can have longitudinal grooves or have a square cross-section or, conversely, when the connecting hole is cylindrical the pusher may have a triangular shape or longitudinal risks may be applied on its cylindrical surface.
In any of these cases, the minimum cross-section of such a gap, ensuring the operability of the regulator, is determined by the expression:
Dy = К · P / Q (1), where D y is the minimum nominal diameter of the gap between the pusher and the connecting hole (i.e. the diameter of the cylindrical hole, the cross-sectional area of which is equal to the minimum cross-sectional area of the gap), m;
P - maximum pressure in the cavity of high pressure, Pa;
Q - the maximum gas flow rate in the output channel of the regulator, m 3 / s;
K 1 - coefficient, Ki = (0.03 ... 1.93) · 10 -12 , ο · μ 5 / kg;
or alternatively:
a / s = K2 ·% V (2), where S is the minimum cross-sectional area of the gap between the pusher and the connecting hole, m 2 ;
V - maximum volume of the damping chamber, m;
K 2 - dimensionless coefficient, K 2 = (0.01 ... 0.50).
In the first variant, the parameter P is in the numerator of expression (1), since the larger the maximum pressure at the regulator inlet, the larger must be the diameter of the sensitive element under low pressure. This condition is associated with the need to reduce the output pressure error when the pressure changes at the inlet of the regulator, which, in turn, increases the volume of the damping chamber. Increasing the volume of the damping chamber to ensure stable operation of the regulator requires an increase in the cross section of the damping gap.
The parameter Q is in the denominator of expression (1), since the greater the gas flow rate at the regulator's output, the stronger the ejection effect and the smaller the gap cross section is necessary to ensure the operability of the regulator.
The values of the coefficient K 1 determined experimentally for different ratios of P / Q and are in the range (0.03 ... 1.93) -10 -12 s-m 5 / kg. When the values of the coefficient K1 <0.03-10 -12 s-m 5 / et, i.e. at insignificant values of the gap between the pusher and the connecting hole, the gas does not have time to fill the damping chamber (or flow out of the damping chamber) with changes in gas flow, which leads to a change in the output pressure, i.e. regulation accuracy is reduced. When the values of the coefficient K1> 1.93-10 -12 sm / kg. those. at significant values of the gap between the pusher and the connecting hole, the occurrence of self-oscillations of the moving system of the regulator is observed, which leads to resonant effects (the amplitude of output pressure oscillations increases), i.e. reduced regulatory stability.
Similarly, in an embodiment of the regulator, where the parameters of the regulator are related by the relation (2). The minimum value of the cross-sectional area of the damping gap and the maximum volume of the damping chamber, as experiments have shown, are interrelated parameters that affect the performance of the regulator of the design described.
Increasing the volume of the damping chamber to ensure stable operation of the regulator requires an increase in the cross section of the damping gap.
The values of the coefficient K 2 connecting these parameters are determined experimentally and are in the range of 0.01 .. 0.50. When the values of the coefficient K 2 <0,01, i.e. at insignificant values of the gap between the pusher and the connecting hole, the gas does not have time to fill the damping chamber (or flow out of it) with changes in the gas flow rate, which leads to a change in the output pressure. This reduces the accuracy of regulation. When the values of the coefficient K 2 > 0.50, i.e. at significant values of the gap between the pusher and the connecting hole, the occurrence of gas self-oscillations in the regulator is observed, which leads to resonant effects (the amplitude of output pressure oscillations increases), i.e. reduced regulatory stability.
The pusher can be made profiled, i.e. along with a section with a constant cross section passing through a connecting hole in the wall of the housing, the plunger in the zone of the central channel has a section of cross section decreasing towards the locking member. With this design of the pusher, the gas flow, flowing around the pusher, more smoothly changes its trajectory when moving from the central channel to the output channel.
The plane of the transition section of the pusher with a constant cross section in the variable section section is located behind the connecting hole, and when part of the entrance to the output channel overlaps with the section of the pusher with a constant cross section, the entrance area to the output channel decreases, and in the section of the input section covered by the pusher, an area is formed ejection. At the same time, the reduction in the area of the entrance to the output channel and the coincidence of the direction of ejection with the direction of gas flow have a favorable effect on the enhancement of the ejection effect and the stability of the regulator.
Providing the functions of damping and ejection without the use of additional elements can significantly simplify the design of the regulator.
In the case of a small range of fluctuations of the operating characteristics of the regulator, it is preferable to apply the invention in embodiment 1. With significant fluctuations of these parameters when using the regulator in a wide range of operating modes, it is advisable to use the invention in embodiment 2.
It is advisable, from the point of view of ease of manufacture of the pusher, the pusher in the zone of the central channel to perform with a conical section.
This conical section narrows towards the locking member, as provided by the invention.
For a smoother and more complete rotation of the gas flow, it is advisable to perform the pusher in the central channel zone with a section having a quarter ellipse shape in longitudinal section, one axis of which is parallel to the axis of the pusher. This form of the pusher provides a smooth trajectory of the gas flow, without sharp turns, which usually occur uncontrollable pressure drop of the gas, although, from the point of view of ease of manufacture, this form of execution of the pusher is inferior to the previous, conical.
For a smooth expansion of the gas flow at the entrance to the low pressure cavity and the elimination of its turbulence with a further change in the direction of movement in the low pressure cavity and in the output channel, as well as reducing disturbing influences on the moving system and thereby increasing stability and control accuracy, it is advisable to the segment of the saddle, at least partially, to perform with a conical narrowing in the direction of the locking organ.
From the point of view of creating optimal gas-dynamic conditions for the gas flow around the pusher and minimizing the resistance to gas movement during flow around the pusher and turning the gas flow, it is advisable to make the diameter of the connecting hole in the wall of the housing equal to the diameter of the central channel.
It is also advisable to have a high pressure cavity and a regulating choke in the inlet fitting, which allows to reduce the total volume of internal cavities under high pressure, to reduce the axial clearance, and, consequently, the intensity of the regulator.
Structurally, it is advisable to make the saddle in the form of a sleeve, clamped between the housing and the inlet fitting, and in the saddle to run a channel connecting the high-pressure cavity through the hole in the housing with one of the auxiliary channels. With such an implementation, the simplest way is to ensure high-pressure output to the measuring manometer installed in the auxiliary channel, and, in addition, easy replacement of the seat is ensured.
An alternative and, under certain conditions, also a viable option is to make the saddle in one piece with the body and to make the connecting channel directly in the body. This increases the tightness of the high-pressure cavity, decreases the number of parts of the regulator.
To reduce the size of the regulator and its metal consumption, it is advisable to carry out the auxiliary channels in the housing with the location of their axes in the same plane with the axis of the output channel.
To increase the efficiency of damping at high gas flow rates, it is advisable for the membrane of the sensitive element to be made of a composite of at least two plates between which a sealed cavity is formed.
Finally, at high gas consumption, additional ejection is applied, which is observed during the passage of gas flow in the output channel, crossing the outlet of the opening in the wall of the housing, connecting the output channel to the damping chamber. An additional hole connecting the damping chamber with one of the auxiliary channels smoothes the pressure surges in the damping chamber due to the non-stationary ejection process.
Compared to the known gas pressure regulators, the described regulator has a greater safety in operation, and also has an increased regulation accuracy and lower metal consumption. The latter is especially important when mass production and use in the manufacture of expensive non-ferrous metals.
In the following, the present invention is explained in detail with a specific example of its implementation with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 shows a general view of a gas pressure regulator, in longitudinal section, assembled, FIG. 2 is a general view of the gas pressure regulator, in longitudinal section, assembled (design variant); FIG. 3 is a cross-section A-A along the regulator in FIG. 1 or 2, FIG. 4 - place B in FIG. 1 or 2 on an enlarged scale; FIG. 5 - a fragment of the section of the regulator at the outlet and one of the auxiliary low-pressure channels, a variant of the design (fragment of the section C-C in Fig. 3).
The best embodiment of the invention.
The regulator includes a housing 1, a high-pressure cavity 2 connected to the inlet channel 3, a low-pressure cavity 4 forming the central channel 5 through which the pusher 6 passes, an output channel 7 connected to the low-pressure cavity regulating the throttle 8 dividing the high cavities 2 and low pressure 4 and formed by the saddle 9 and the locking member 10, pressed against the saddle 9 by means of an elastic element 11, a damping chamber 12 separated from the low pressure cavity 4 by the wall 13 of the housing 1 with a connecting hole 14 in it located oosno with the Central channel 5 and connecting the low pressure cavity 4 with the damping chamber 12, the sensitive element 15 in the form of a membrane 16 embedded in the casing, forming another wall of the damping chamber 12 and interacting with the task element 17. At this, the plunger 6 is installed with the possibility of axial movement into the housing 1 and connects the sensing element 15 with the locking body 10, and, in addition, the plunger 6 passes through the connecting hole 14 in the wall 13 of the housing 1 with a gap, and in the area of the central channel 5 is made with a section schegosya the direction of the locking body 10 cross section.
The output channel 7 communicates directly with the Central channel 5 and is located at an angle to it, while the entrance to the connecting hole 14, the central 5 and output 7 channels are interfaced, and the plane 18 of the transition section of the pusher 6 with a constant cross section in the section of variable cross section connecting hole 14. Part of the entrance to the output channel 7 is blocked by a section of the pusher 6 with a constant cross section, while the entrance area to the output channel 7 is reduced, and in the section of the entrance to the exit blocked by the pusher 6 The second channel 7, located directly behind the connecting hole, forms the ejection region 19.
The pusher 6 in the zone of the central channel 5 can be made with a conical section, or with a section having a quarter-length ellipse in longitudinal section, one axis of which is parallel to the axis of the pusher 6, and the diameter of the connecting hole 14 in the wall 13 of the housing 1 is preferably equal to the diameter of the central channel 5 which, at least partially, in the area of the saddle 9, is made with a conical narrowing in the direction of the locking body 10.
The cavity 2 high pressure and regulating choke 8 are located in the inlet fitting 20.
The saddle 9 can be made in one piece with the housing 1 (Fig. 2), while in the housing there is an opening 23 connecting the high-pressure cavity 2 to the auxiliary channel 21, or (Fig. 1) the saddle 9 can be made in the form of a sleeve, sandwiched between the housing 1 and the inlet fitting 20, and in the saddle 9 a channel 22 is made connecting the high-pressure cavity 2 through the opening 23 in the housing 1 with the auxiliary channel 21, at the outlet of which a high-pressure gauge is installed.
Auxiliary channels - channel 21, supplying gas to a high-pressure manometer, channel 24 - to a low-pressure manometer and channel 25 - to a safety valve, are made in housing 1 with their axes in the same plane with the axis of the output channel 7.
The membrane 16 of the sensing element 15 can be made of a composite, at least two plates, between which is formed a sealed damping cavity 26.
In the inlet fitting 20 installed input filter 27.
The damping chamber 12 can be connected to the output 7 or auxiliary channels 24, 25 through additional openings 28 in the wall 13 of the housing 1.
The regulator works as follows.
The gas flow from the inlet channel 3 through the inlet filter 27 enters the cavity 2 of the high pressure and through the regulating choke 8 passes into the cavity 4 of the low pressure. After a smooth expansion in the conical part of the central channel 5, and guided by the surface of the pusher 6 with a smoothly varying cross section, the gas flow changes its direction and enters the output channel 7. At the same time, the gas can move in the gap between the pusher 6 and the connecting hole 14 in the wall 13 of the housing 1, this gap is essentially a damping choke, and with a time delay increases or decreases the pressure in the damping chamber 12 in accordance with the pressure of the gas in the low pressure cavity 4. The gas also enters the auxiliary channels 24 and 25 and is supplied to the low-pressure gauge and the safety valve, respectively, as well as from the high-pressure cavity 2 through the channel 22 made in the saddle 9, and the opening 23 in the housing 1 enters the auxiliary channel 21 connected to high pressure gauge.
In the process of regulator operation, the force of the task element 17, on the one hand, and the force of the elastic element 11, as well as the force caused by the gas pressure in the damping chamber 12 on the sensitive element 15, on the other hand, are balanced, and the gap between the locking member 10 and the saddle 9 regulating throttle 8 depends on the gas flow regulator. When the gas flow rate changes, the equilibrium state of the regulator is disturbed and after the transition process the regulator is set to another steady state.
During transients in the low pressure cavity 4, forced antiphase oscillations of gas pressure occur, the frequency of which is equal to the frequency of resonant oscillations of the system of moving regulator elements (task element 17, elastic element 11, membrane 16, pusher 6, locking member 10).
The parameter of the regulator - the size of the gap between the pusher 6 and the connecting hole 14 is selected in accordance with expressions (1) or (2).
Regulator parameters satisfying relations (1) or (2), i.e. the requirement of stability regulation also allows an increase in the overall level of damping of the regulator, i.e. allow to dramatically reduce the level of exposure to fluctuations in gas pressure caused by other reasons, and not just the oscillatory properties of the movable system of the regulator.
At high gas flow rates, additional damping is applied using a composite membrane 16 made of at least two plates, between which a sealed damping cavity 26 is formed, while damping occurs due to the accumulation of energy during deformation of the membrane 16 and air compression in the damping cavity 26 with increasing gas pressure in the damping chamber 12 and the return of this energy while reducing this pressure.
During the outflow of gas from the low pressure cavity 4 into the output channel 7 through the entrance to the output channel 7 (partially blocked by the pusher 6), in the ejection area 19 (bounded by the surface of the pusher 6, part of the entrance to the output channel 7 and the common interface line of the connecting hole 14, central 5 and output 7 channels) decreases the gas pressure depending on the gas flow, which leads to a decrease in pressure in the damping chamber 12 and to compensate for the change in the force of the target element 17, caused by a change in the clearance in I eat throttle 8 when the gas flow rate changes, while the gas pressure at the regulator outlet stabilizes.
At high gas flow rates, additional ejection is applied, which is observed during the passage of gas flow in the output channel 7, crossing the outlet of the opening 14 in the wall 13 of the housing 1, which connects the output channel 7 to the damping chamber 12. Additional opening 28 connecting the damping chamber 12 to the auxiliary channel 24 or 25, smoothes the pressure surges in the damping chamber 12 due to the non-stationary ejection process.
The combination of all features of the claims, primarily by π. 1 or 2, leads to the achievement of the above technical results, which was established experimentally on manufactured prototypes. Without the use of additional elements, a combination of simple structural parts, as well as the configuration chosen by them, it was possible to ensure effective ejection and damping due to the fact that the pusher 6 is made with a section of cross section decreasing towards the shut-off element beginning behind the connecting hole 14 and the output channel 7 mated with the entrance of the connecting hole 14.
The level of damping depends on the size of the gap between the pusher 6 and the connecting hole 14. This parameter was chosen experimentally, and it was found that stable operation of the regulator is observed in a certain range of values of this regulator parameter for a given value of its other parameters (P, Q or V).
An example of calculating the controller parameters, a) In the first embodiment, the ratio of the controller parameters is determined by the expression (1).
With a maximum pressure at the regulator inlet - 2.5-10 6 Pa, maximum flow rate at the regulator output - 5 m 3 / h = 1.389-10 ' 3 m 3 / s and the coefficient K1 = 0.5-10' 12 s-m 5 / kg, which lies in the allowable interval 0,03-10 '12 <K1 <1,93-10' 12, we have:
2.5 - 10 6
D y = 0.5 - 10 -12 - = 0.899 - 10 -3 m (0.899 mm).
1,389 - 10 -3
Dimension in the SI system:
cm 5 Pa cm 5 -kgm-s [Dy] - - · - = m.
kg m 3 / s kg-m 2 -s 2 -m 3
When the diameter of the pusher is 5 mm, this corresponds to a hole diameter of 5.08 mm. This is confirmed by the following calculation:
S hole = S gap;
(0.899) 2 3.14159-4 (5.08) 2 - (5.0) 2 3.14159-4
0.63 = 0.63.
Thus, with the above parameters of the regulator, the diametrical gap between the pusher and the connecting hole is 0.08 mm.
When performing a gap corresponding to the coefficient K 1 <0.03-10 ' 1 % -m 5 / et, large overshoots of the output pressure and a slower establishment of its predetermined value were observed, and for values of K 1 >1.93-10' 12 s- m7kg increases the instability of the regulator until the self-oscillations.
b) According to the second variant, the ratio of the controller parameters is determined by the expression (2).
When the volume of the damping chamber is 3375-10 -9 m 3 (3375 mm 3 ) and the coefficient K 2 = 0.2, which lies in the allowable interval of 0.01 <K 2 <0.50:
К2 - З э / у - 0,2 - 3 У3375 · 10 '^ = 3 · 10 ~ 3 m.
If the gap between the pusher and the connecting hole is a circular ring, and the diameter of the pusher d is 7-10 -3 m (7 mm), in order to determine the diameter of the co13 single hole D it is necessary, in accordance with the invention, to meet the conditions:
π
S = --- (D 2 - d 2 ) is the area of the annular gap.
After simple transformations we get:
Thus, the diameter of the connecting hole in this case is equal to:
The radial clearance between the pusher and the connecting hole in this case is equal to:
(7.77 - 7) / 2 = 0.385 mm.
So, the effectiveness of the described controller is determined as follows.
The connection of the output channel 7 directly with the central channel 5, as well as the pairing of the entrance to the output channel with the input of the connecting hole 14, in addition to creating the ejection area 19, allows to significantly reduce the volume of the low pressure cavity 4 by reducing its radial size, which leads to a decrease in the radial dimension and metal regulator as a whole.
The design has a minimum gas-dynamic resistance, since the intersection of the output 7 and central 5 channels is located directly at the regulating choke 8, while the channels from the regulating choke 8 to the regulator output have a minimum length, which provides increased control accuracy and obtaining increased throughput with minimum dimensions regulator.
The fact that part of the pusher 6 in the section of the central channel 5 has a variable cross section, and the section of the pusher 6 in this area increases towards the entrance to the output channel 7, allows you to smoothly change the direction of gas flow and direct it to the output channel 7 of the regulator, while providing additional ejection, i.e. increasing regulation accuracy.
The fact that the pusher 6 at the site of connection of the low-pressure cavity 4 with the outlet channel 7 has a tapered surface allows, with a significant increase in the regulation accuracy, to simplify the pusher constructively
6
The execution of the pusher 6 at the site of connection of the low pressure cavity 4 with the output channel 7 in the form of a rotational body with a quarter-shaped ellipse, one axis of which coincides with the axis of the pusher, enhances the ejection effect and reduces the gas-dynamic resistance in the central channel 5 due to a smooth change in the direction of flow 90 °, provided by the shape of the generator of the pusher 6, the beginning of which is parallel to the axis of the pusher
6, and the end is perpendicular to the same axis.
The degree of ejection is determined by the shape of the surface of the central channel 5 and the pusher 6 at the intersection of the low pressure cavity 4 and the output channel 7 and the location of the plane 18 of the transition of the constant cross section of the pusher 6 to alternating in this area.
It was established experimentally that the maximum degree of ejection from the damping chamber 12 is observed when the pusher 6 is performed at the connection section of the low pressure cavity 4 with the output channel 7 in the form of a rotating body with a transition in the form of one quarter ellipse and the junction plane 18 is located below the entrance to the connecting hole 14 approximately one quarter of the diameter of the output channel 7. At the same time, no overcompensation was observed (an increase in the output pressure with an increase in the gas consumption), which could lead to instability of the regulation of
The implementation of the Central channel 5 and the connecting hole 14 in the form of a single cylinder with a constant diameter allows, while maintaining the achieved technical results, significantly simplify the design of the regulator and reduce the size and, consequently, the intensity.
Performing part of the outer surface of the central channel 5 in the area from the closure body 10 to the intersection with the output channel 7 in the form of a cone ensures a smooth expansion of the gas flow at the entrance to the low pressure cavity 4, which eliminates its turbulence with further changes in the direction of movement in the low pressure cavity 4 and output channel
7, and also reduces the disturbing effects on the mobile system and, thereby, increases the stability and accuracy of regulation.
The fact that the axes of the auxiliary channels 21, 24 and 25 are located in the same plane with the axis of the output channel 7 makes it possible to reduce the size of the regulator, and, consequently, reduce its metal consumption.
The location of the high-pressure cavity 2 and the control throttle 8 in the inlet fitting 20 allows to reduce the total volume of internal cavities under high pressure and to reduce the axial size of the housing 1, which allows to reduce the intensity of the regulator.
The regulator has an increased accuracy and stability of regulation, simple construction and reduced metal consumption, increased stability of regulation due to the choice of the optimal configuration and arrangement of elements, while the functions of damping and ejection are performed without additional structural elements.
The invention can be used in balloon single-stage gearboxes, in particular, propane, type BPO-5 or acetylene, type B AO-5. Typical comparative tests of gas pressure regulators made in accordance with inventions and commercially available gearboxes of type BPO-5-2 showed that the mass of the proposed gas pressure regulator is not more than 0.7 kg, and the mass of gearbox BPO-5-2 is 1.6 kg .
The change in pressure at the outlet of the gas pressure regulator, made according to the invention, with a change in gas flow rate from maximum to minimum values averaged 0.26 kgf / cm 1 2 , and for known gearboxes BPO-5-2, this indicator averages 0.4 ^ 0.55 kgf / cm 2 .
Thus, tests have shown that the proposed gas pressure regulator with a smaller mass (more than twice) than the gearbox BPO-5-2, and with fewer parts, the accuracy of gas regulation is twice as high.
At the same time, the proposed gas pressure regulator has a higher stability of regulation and increased safety.
Inventions with the greatest success can be used in gas networks, in gas cylinders or other high-pressure tanks when they are connected to technological equipment in order to reduce gas pressure and maintain it at a stable technological level.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96102047A RU2092890C1 (en) | 1996-02-05 | 1996-02-05 | Gas pressure regulator |
| RU96113489A RU2092889C1 (en) | 1996-07-02 | 1996-07-02 | Gas pressure regulator |
| PCT/RU1996/000286 WO1997028495A1 (en) | 1996-02-05 | 1996-10-11 | Gas pressure regulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA000325B1 true EA000325B1 (en) | 1999-04-29 |
| EA199700393A1 EA199700393A1 (en) | 1999-04-29 |
Family
ID=26653861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA199700393A EA199700393A1 (en) | 1996-02-05 | 1996-10-11 | GAS PRESSURE REGULATOR (OPTIONS) |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AU (1) | AU7347196A (en) |
| EA (1) | EA199700393A1 (en) |
| WO (1) | WO1997028495A1 (en) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1921331C3 (en) * | 1969-04-26 | 1978-08-31 | Fritz 2000 Norderstedt Stephan | Pressure reducing valve |
| DE1943551C3 (en) * | 1969-08-27 | 1978-08-24 | Draegerwerk Ag, 2400 Luebeck | Pressure reducer with control diaphragm |
| US3906982A (en) * | 1972-08-28 | 1975-09-23 | Tescom Corp | Pressure regulator assembly |
| SU1012213A1 (en) * | 1981-12-03 | 1983-04-15 | Предприятие П/Я А-7114 | Gas pressure control |
| US4481969A (en) * | 1983-06-06 | 1984-11-13 | Draft Systems, Inc. | Fluid pressure control device |
| SU1236441A1 (en) * | 1984-12-06 | 1986-06-07 | Предприятие П/Я В-8495 | Gas pressure regulator |
| SU1315955A1 (en) * | 1986-01-02 | 1987-06-07 | Ленинградское Опытно-Конструкторское Бюро Табачного И Торгового Машиностроения | Gas pressure regulator |
| SU1686410A1 (en) * | 1989-05-10 | 1991-10-23 | Самарский авиационный институт им.акад.С.П.Королева | Gas pressure regulator |
| US5002089A (en) * | 1990-04-02 | 1991-03-26 | Carrier Corporation | Variable area refrigerant expansion device for heating mode of a heat pump |
| DE9017080U1 (en) * | 1990-12-18 | 1991-03-07 | Messer Griesheim Gmbh, 6000 Frankfurt | Pressure regulator |
-
1996
- 1996-10-11 EA EA199700393A patent/EA199700393A1/en not_active IP Right Cessation
- 1996-10-11 AU AU73471/96A patent/AU7347196A/en not_active Abandoned
- 1996-10-11 WO PCT/RU1996/000286 patent/WO1997028495A1/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1997028495A1 (en) | 1997-08-07 |
| EA199700393A1 (en) | 1999-04-29 |
| AU7347196A (en) | 1997-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0044494A1 (en) | Nozzle for ring jet pump | |
| US4791957A (en) | Stem regulator | |
| EP2226536A1 (en) | A control ball valve | |
| JPH06506023A (en) | Mixing device for cellulose fiber suspension material and fluid | |
| EP2806327B1 (en) | Poppet valve | |
| US3610276A (en) | Pressure control valve | |
| US20050145280A1 (en) | Fluid flow pressure regulator | |
| US5904177A (en) | Fluid flow control device | |
| US3095153A (en) | Variable area spray nozzle | |
| US3762681A (en) | Fluid flow control device with baffles | |
| US20040069352A1 (en) | Check valve | |
| CN110296537A (en) | The water inlet interface with current stabilization pressure release of gas-fired water heater | |
| RU2092889C1 (en) | Gas pressure regulator | |
| GB2370096A (en) | Constant flow control valve | |
| EA000325B1 (en) | Gas pressure regulator (variants) | |
| EP0118452B1 (en) | A liquid flow control assembly | |
| US2969925A (en) | Multiple variable area orifice injector | |
| CZ46496A3 (en) | Shut-off valve of a nozzle and a pressure spray nozzle with a nozzle pressure closing valve | |
| RU2092890C1 (en) | Gas pressure regulator | |
| US20060130903A1 (en) | Check valve | |
| US5913328A (en) | Flow control valve with one piece plug/valve tube sleeve assembly | |
| KR200380316Y1 (en) | Medium Gas supply instruments | |
| US5716203A (en) | Injection apparatus for an atmospheric burner in a gas heating apparatus, especially of the infrared type, and heating apparatus provided with such an injection device | |
| CN213954514U (en) | Reciprocating compressor outlet high-pressure pipeline flow regulating valve pressure stabilizing device | |
| CN219639526U (en) | Four-way valve and air conditioning system with same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |