Предохранительные клапаны

СЛАЙД 39. Схемы простейшего предохранительного клапана СК представлена на рис. На тарелку 2 клапана действует разность давлений в СК и атмосфере, создавая усилие, уравновешиваемое пружиной 1. Расчет такого клапана сводится к определению проходного сечения клапана и параметров его пружины. Проходное сечение определяется в зависимости от максимального расхода газа, который клапан должен пропустить в аварийном случае при нарушении нормальной работы системы подачи газа в СК.

а)                б)               в) а) Схема простейшего предохранительного клапана: 1 - регулировочная пружина; 2 - клапан б) Схема мембранного предохранительного клапана:1 - мембрана; 2 - регулировочная пружина; 3 - клапан; 4 - вспомогательная пружина, 5 - толкатель в) Расходная характеристика пружинного предохранительного клапана: 1 — при жестком уплотнении: 2 — при резиновом уплотнении

       Жесткость пружины  клапана с площадью проходного сечения седла  рассчитывается по заданной неравномерности  его статической характеристики, равной величине изменения давления, поддерживаемого клапаном при минимальном и максимальном расходах газа.

       СЛАЙД 40. Уравнение статики предохранительного клапана: (10)

,                                                   (10)

где  – площадь проходного сечения клапана,  - максимальный ход клапана, -неравномерность  - жесткость пружины клапана: (11)

                                                            (11)

       Предварительное поджатие пружины  определяют из выражения: (12)

                          (12)

где  - максимально допустимое избыточное давление (рабочий перепад) в СК;  - усилие герметизации седла клапана.

       Большей герметичностью и чувствительностью обладает клапан с сервоприводом в виде пластичной мембраны (рис. б). При такой конструкции даже небольшое повышение давления в СК дает значительное усилие на мембране и открывает клапан сброса газа. Усилие пружины 4 может быть небольшим. Его выбирают так, чтобы обеспечивалась герметизация клапана. При соответствующем подборе пружины 4 клапан может одновременно выполнять функции клапана обратного перепада давлений, который не допускает, чтобы внутри СК давление оставалось ниже, чем повысившееся по какой-либо причине окружающее давление. Потребность в таком клапане возникает, в частности, при возвращении космоса в корабль, давление в котором больше, чем в СК.

       Рассмотрим характеристики предохранительных клапанов и методику их расчета. Расходную характеристику клапана  можно представить в виде графика, изображенного на рис. в.

       При нормальной работе клапана расход газа  через него изменяется в пределах от минимального до максимального . В это время клапан движется в пределах своего расчетного хода  Если расход становится выше расчетной величины , то резко возрастает гидравлическое сопротивление и вследствие этого величина избыточного давления p под предохранительным клапаном. Расходная характеристика изгибается круто вверх.

Пружинный клапан

       Для пружинного регулятора избыточного давления (рис. а) получаем систему уравнений (13):

в точке а (герметично закрыт): , где - реакция седла герметично закрытого клапана.

в точке б (в начале движения): ,                                                                         (13)

 в точке в (в конце расчетного хода):

 - начальная сила прижатия пружины.

       Так как в положениях а и б усилие пружины одно и то же, то из двух первых уравнений следует, что, что необходимо некоторое повышенное давление, чтобы клапан начал работать, т. е. пропускать через себя газ в соответствии с (14):

.                                             (14)

       Из двух последних уравнений равновесия следует, что колебание регулируемого избыточного давления (неравномерность статической характеристики регулятора при изменении расхода от до ) определяется жесткостью пружины и максимальным расчетным ходом клапана (15):

,                                     (15)

       СЛАЙД 41 Проходное сечение клапана вычисляется по величине расхода газа через него (16):

.                                              (16)

       Перепад давления описывается формулой (17)

,                     (17)

       Удельное давление , необходимое для создания герметичного уплотнения, практически не зависит от диаметра клапана , поэтому для уменьшения заброса избыточного давления  при открытии клапана необходимо увеличивать .

                   Из формулы (15) получаем (18):

                                         (18)

и отсюда становится ясным, что увеличение  резко уменьшает неравномерность статической характеристики регулятора.

Мембранный клапан

       Мембранный клапан (рис. б) отличается от конструкции описанного выше пружинного клапана. При конструировании мембранного клапана пошли по пути увеличения диаметра элемента, на который действует давление. Аналогично предыдущему уравнения равновесия для мембранного предохранительного клапана (рис. б) имеют вид (для случая механической связи клапана с мембраной) уравнений (19):

 в точке а (при закрытом клапане):

Þ

в точке б (в момент открытия клапана при касании клапана седла)

  Þ                                                        (19)

в точке в (при максимальном расходе)

  Þ

где  - эффективная площадь мембраны; , - начальные силы прижатия и жесткости вспомогательной и регулировочной пружин, соответственно.

       Из уравнений равновесия можно получить систему уравнений (20):

                                 (20)

При

, ,

где  - эффективный диаметр мембраны.

       СЛАЙД 42. Обозначим . Обычно в реальной конструкции  

       После подстановки получим (21):

           (21)

       Сравнивая полученный результат с аналогичным выражением для пружинного клапана, легко установить, что у мембранного клапана заброс или колебания давления в начале его работы действительно существенно меньше.

Аналогично (22)

                  (22)

       В этом случае на рабочем участке расходной характеристики колебания давления в мембранном клапане могут быть больше в 1/b раз. Тем не менее это явление можно смягчить, подобрав пружину с небольшой жесткостью . Кроме того, предпочтение мембранному клапану может быть отдано из-за хорошего участка  на характеристике, так как в этом случае можно добиться меньшей величины  и, следовательно, лучшей чувствительности регулятора. Наконец, следует заметить, что мембранный клапан работает более устойчиво при колебаниях давления на выходе из него.

  Чувствительные элементы регуляторов и клапанов и их расчет Общие сведения

       В качестве чувствительных элементов (ЧЭ) в кислородной аппаратуре и в устройствах для регулирования давления применяются мембраны, изготовленные обычно из эластичных материалов, реже из металла, и сильфоны. К ЧЭ можно отнести также пружины регуляторов и клапанов, сила которых определяет величину регулируемого давления, а жесткость влияет на статическую характеристику. Пружины рассчитываются по общеизвестным формулам или подбираются согласно отраслевым стандартам.

       Анероидные чувствительные элементы (сильфоны). В регуляторах абсолютного давления СК чувствительными элементами служат вакуумированные сильфонные коробки - сильфоны (анероидные чувствительные элементы (АЧЭ)) нашедшие широкое применение в устройствах для регулирования давления или подачи газа благодаря тому, что имеют достаточно высокую чувствительность и почти линейную зависимость между действующим на него давлением и деформацией и большой ход. Внутри вакуумированного сильфона для уменьшения габаритов чувствительного элемента и уравновешивания атмосферного давления обычно размещается основная пружина регулятора.

       ЧЭ характеризуются тремя конструктивными параметрами:

       - эффективной площадью - условная площадь, с помощью которой определяется сила , создаваемая ЧЭ при воздействии на него давления ;

       - жесткостью ЧЭ - усилие для его перемещения на единицу длины;

       - максимально допустимым ходом относительно свободного положения

       Ход сильфона выбирается в зависимости от величины максимального хода управляемого им клапана  так, чтобы при закрытом клапане сильфон был бы слегка поджат, поэтому (23):

.                                   (23)

Рис.. Схема сильфона.

       Эффективная площадь сильфона  определяется по формуле: (24)

 ,                                            (24)

где  - средний радиус сильфона; ,  — наружный и внутренний радиусы сильфона.

       СЛАЙД 43. Осевое усилие сильфона  при (25)

,                             (25)

где  - сила вспомогательной пружины регулятора.

       С другой стороны, учитывая жесткость сильфона  и находящейся внутри него пружины  , а также силу  предварительного поджатия пружины, можно написать: (26)

                                      (26)

       Теперь, если подставить значение  в ранее полученное выражение и задаться значениями  и , а также размерами сильфона, выбрав их по специальным таблицам для готовых изделий, то можно определить силу, необходимую для предварительного поджатия пружины сильфона: (27)

                        (27)

       Из выражения (33), следует что, для получения нужного усилия сильфона требуется увеличение величины  и, следовательно, увеличение размеров сильфона. Давление окружающей среды , при котором сильфон начинает движение из начального положения (соответствующее началу хода АЧЭ), находят из выражения (28)

                        (28)

где - ход клапана (сильфона) от начального положения до закрытия клапана для режима минимального давления,  – минимальное давление окружающей среды.

Размеры пружины выбираются в зависимости от величины , легко выбрать. При этом из условий обеспечения минимальной неравномерности регулирования (зоне регулирования) суммарную жесткость АЧЭ желательно иметь минимальной.

       При небольших значениях  величина  равна или несколько больше . Для двухрежимного регулятора давления с изменением настройки за счет изменения положения АЧЭ величина , определяется для режима максимального давления .

       Оптимальная суммарная жесткость сильфона с пружиной и параметры пружины могут быть определены по заданной величине неравномерности регулятора давления  из выражения (29):

                                  (29)

       Предварительно задавшись параметрами сильфона, по этой формуле можно найти  Прогиб пружины сильфона может быть найден из условия, что при давлении , соответствующем началу хода сильфона, суммарная сила упругости сильфона и пружины равна усилию, развиваемому давлением окружающей среды (30):

                               (30)

где  и  - деформации пружины и сильфона от разгруженного до полностью сжатого состояния, причем можно считать, что . Отсюда (31)

.                                         (31)