Разгруженный сильфонный компенсатор

Полезная модель относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использована для обеспечения эффективной защиты технологических трубопроводов от статистических и динамических нагрузок. Разгруженный сильфонный компенсатор состоит из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего. Эффективная площадь среднего сильфона равна сумме эффективных площадей боковых сильфонов. Сильфоны снабжены соответственно фланцами, разгрузочными тягами. Разгрузочные тяги попарно соединяют внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб). Соединительные патрубки (трубы) выполнены с двумя и более вырезами ее частей и повернуты относительно друг друга на угол 90° через разгрузочные тяги. Разгрузочные тяги закреплены на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона. Разгрузочные тяги расположены непосредственно внутри среднего сильфона. Уменьшаются габаритные размеры и масса сильфонного компенсатора, повышается его надежность при эксплуатационных нагрузках и работоспособность. 1 илл.

Полезная модель относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использована во всех отраслях техники для обеспечения эффективной защиты технологических трубопроводов, газопроводов, паропроводов, воздуховодов от статистических и динамических нагрузок, возникающих при температурных деформациях, вибрациях, присоединяемых к амортизируемым механизмам в качестве виброизолирующего элемента.

Известно, что при создании современных энергетических установок с высокими параметрами рабочей среды возникает необходимость создания средств защитной амортизации, одним из элементов которой является сильфонный компенсатор. Сильфонный компенсатор в своем конструктивном исполнении должен содержать элементы, которые компенсируют деформации, возникающие от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, воспринимают знакопеременные статические и динамические деформации (осевое сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), уменьшают уровень вибрации, передающихся по трубопроводу, а также защищают от эрозионного износа внутренние слои многослойного сильфона и уменьшают гидравлическое сопротивление компенсатора. Снижение нагрузок на фланцы наиболее актуально в конструкции компенсаторов, установленных в паропроводах атомных электрических станциях (АЭС), где при резких изменениях давления рабочей среды, в момент аварийного пуска и остановки паротурбинной установки, возможна разгерметизация фланцевых соединений и, как следствие, авария в паропроводной системе. В разработанных и поставляемых промышленностью конструкциях сильфонных компенсаторов допустимые нагрузки (напряжения) во фланцах обеспечиваются путем увеличения их толщин. Однако создание сильфонных компенсаторов на более высокие параметры рабочих сред и условные проходы (Ду>450) путем дальнейшего увеличения толщины фланцев становится технически и экономически нецелесообразным из-за значительного увеличения весогабаритных характеристик и стоимости конструкций, а также в ряде случаев невозможного их изготовления промышленностью.

Известна конструкция разгруженного сильфонного компенсатора, выполненная в виде сильфонов, концентрически расположенных внутри третьего, соединительных переходных патрубков, плавающей гильзы, помещенной внутри сильфонов меньшего диаметра, внутренних и наружных фланцев и разгрузочных тяг, установленных по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющих внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, имеющими на концах сферические шайбы. (SU, А.с.156390, МПК F16L 51/03, опубликовано в «Бюллетене изобретений и товарных знаков» 15 за 1963 г.). В известной конструкции описано устройство сильфонного компенсатора, предназначенного для восприятия деформаций, возникающих от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, а также для снижения вибрационных и динамических нагрузок, передающихся от амортизированных энергетических установок.

Недостатком конструкции сильфонного компенсатора является то, что конструктивное расположение разгрузочных тяг с наружной стороны сильфонов значительно увеличивают вес и габариты компенсатора, а также величины изгибающих моментов, передаваемых на фланцы при воздействии внутреннего давления рабочей среды.

Наиболее близким техническим решением является разгруженный сильфонный компенсатор, принятый в качестве прототипа, состоящий из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, установленными по образующей сильфонов и проходящих внутри среднего сильфона, и попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона (RU, патент 2084749, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 14.11.1995 г., опубл. 20.07.1997 г.).

Недостатком конструкции компенсатора является расположение разгрузочных тяг с наружной стороны боковых сильфонов и проходящих внутри среднего сильфона, что не позволяют в большей степени снизить нагрузки, передаваемые на фланцы компенсатора и уменьшить габаритные размеры и массу компенсатора, а также необходимость установки изолирующих элементов внутри полости среднего сильфона, что приводит к большой погрешности равенства эффективных площадей сильфонов при фактическом изготовлении компенсатора, что влияет на работоспособность компенсатора.

Задачей данного технического решения является уменьшение габаритных размеров и массы сильфонного компенсатора, повышение его надежности при эксплуатационных нагрузках, и уменьшение погрешности равенства эффективных площадей сильфонов, влияющей на работоспособность разгруженного сильфонного компенсатора.

Поставленная задача достигается тем, что в разгруженном сильфонном компенсаторе, состоящем из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона, согласно полезной модели, внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей, повернутых относительно друг друга на угол 90° через разгрузочные тяги, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона, при этом разгрузочные тяги расположены непосредственно внутри среднего сильфона.

Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона осуществляется соединительным патрубком (трубой) с двумя вырезами ее четвертой части, через разгрузочные тяги, что позволяет избежать нагрузки (величины изгибающего момента) на фланцы от внутреннего давления рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. Соединительные патрубки (трубы) с левой и правой стороны компенсатора повернуты относительно друг друга на угол 90°. При такой связи отпадает необходимость увеличения наружного диаметра боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг и шарнирных узлов. Кроме того, такая связь позволяет снизить толщину фланцев, массу и габаритные размеры компенсатора. При сварном соединении с трубопроводом отпадает необходимость установки боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг.

Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона может осуществляться соединительным патрубком (трубой) с двумя и более вырезами ее частей через разгрузочные тяги, расположенные непосредственно внутри компенсатора, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона сварными соединениями. Равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов обеспечивает разгрузку сильфонного компенсатора. Это достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды. Дополнительные изолирующие элементы конструкции исключаются. Если сумма всех распорных усилий равна нулю, компенсатор при эксплуатации не передает усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым, обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.

Эффективная площадь любого сильфона определяется:

где:

PF^эф_cp - внутреннее давление среды (Р), умноженное на эффективную площадь среднего сильфона (F^эф_cp) - распорное усилие, создаваемое средним сильфоном;

Р - внутреннее давление среды;

F^эф_cp - эффективная площадь среднего сильфона;

F^эф_бок - эффективная площадь бокового сильфона;

F^эф - эффективная площадь сильфона;

Dвн - внутренний диаметр сильфона;

Dн - наружный диаметр сильфона.

Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора соединительный патрубок (труба) служит защитным и направляющим патрубком (обтекателем), не препятствующим работе компенсатора.

Разгрузочные тяги, на концах которых установлены шарнирные узлы из сферических и конических шайб, устраняют изгиб тяг при сдвиге и изгибе компенсатора, а также снижают сдвиговую и изгибную жесткость компенсатора. Кроме того, наличие разгрузочных тяг способствует уменьшению жесткости компенсатора (а именно угловой и сдвиговой жесткости), тем самым улучшаются характеристики компенсатора.

На фигуре показана конструкция предлагаемого разгруженного сильфонного компенсатора, продольный разрез.

Компенсатор состоит из внешних фланцев 1, патрубков 2, внутренних фланцев 3, соединительных патрубков (труб) 4, боковых 5 и среднего 6 сильфонов, разгрузочных тяг 7. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя (или более) вырезами, распределенными равномерно по окружности равными частями на необходимую величину (глубину) и повернуты относительно друг друга на угол 90°. Оставшиеся выступающие части соединительных патрубков (труб) 4 своими вершинами через патрубок 2 соединены попарно внешними фланцами 1 с противоположными внутренними фланцами 3 через разгрузочные тяги 7, непосредственно расположенные внутри среднего сильфона 6 компенсатора. Разгрузочные тяги 7 выполнены в виде вала, концы которых снабжены шарнирными узлами, состоящими из сферических 8 и конических 9 шайб. Шарнирные узлы на концах тяг 7 устраняют их изгиб при сдвиге и изгибе компенсатора, а также снижают сдвиговую и изгибную жесткость компенсатора. Соединительные патрубки (трубы) 4 служат для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора. Сверху над сильфонами 5 и 6 установлены защитные кожухи 10 и 11, предохраняющие их от наружных повреждений.

Компенсатор работает следующим образом.

При изменении температуры теплоносителя, протекающего по трубопроводу, возникают тепловые расширения трубопровода, которые через ответные фланцы трубопровода передаются на внешние фланцы 1 компенсатора и далее через соответственно патрубки 2, соединительные патрубки (трубы) 4, разгрузочные тяги 7 и на противоположные внутренние фланцы 3. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя или более вырезами, распределенными равномерно по окружности равных частей на необходимую величину (глубину), оставшиеся выступающие части своими вершинами соединены с противоположными внутренними фланцами 3 с помощью разгрузочных тяг 7. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и соединены с противоположными внутренними фланцами 3 с помощью разгрузочных тяг 7 попарно. Температурные расширения трубопровода приводят к перемещению внешних фланцев 1, и как следствие, внутренних фланцев 3, в осевом, сдвиговом и угловом направлении. Наличие разгрузочных тяг 7 способствует уменьшению жесткости компенсатора (а именно угловой и сдвиговой жесткости), тем самым улучшают характеристики компенсатора. Распорные усилия, возникающие внутри компенсатора и среднего сильфона 6, компенсируются распорными усилиями боковых сильфонов 5. При, к примеру, осевом перемещении сжатии компенсатора средний сильфон 6 растягивается, а боковые сильфоны 5 сжимаются, вследствие чего и происходит компенсация распорных усилий в компенсаторе, в результате чего исключается передача приходящих усилий трубопровода на дальнейший участок за разгруженным сильфонным компенсатором.

Таким образом, предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволяет воспринимать статические и динамические деформации (сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), вызванные тепловыми расширениями трубопровода, погрешностью монтажа и вибрацией амортизированных механизмов. Обеспечивает получение компенсаторов с меньшими габаритными размерами и массой, повышенной надежностью. Кроме того, конструкция разгруженного сильфонного компенсатора позволит найти новое решение в качестве гибкого виброизолирующего элемента в паропроводах АЭС с высокими параметрами рабочей среды при создании современных энергетических установок, а также обеспечить перспективу широкого использования конструкции в газовой, нефтяной и других отраслях промышленности.

Разгруженный сильфонный компенсатор, состоящий из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона, отличающийся тем, что внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей, повернутых относительно друг друга на угол 90° через разгрузочные тяги, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона, при этом разгрузочные тяги расположены непосредственно внутри среднего сильфона.