Устройство управления перепуском рабочей среды

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к лопаточным машинам (ЛМ - компрессоры, насосы и др.), которые используются для подачи под давлением рабочей среды (газа или жидкости) и управления ее перепуском из проточного тракта. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении металлоемкости конструкции агрегата управления перепуском рабочей среды, повышении его надежности и совмещении в одном агрегате функции запорного клапана, программного дросселя и обратного клапана. Устройство содержит запорный орган с электромагнитным клапаном управления в каждом из параллельных потоков, на которые разбит общий перепускаемый поток, и блок управления, выходы которого связаны с электрическим входом электромагнитных клапанов, запорные органы имеют непроточную управляющую полость, электромагнитные клапаны управления положением запорных органов выполнены двухпозиционными, трехпроходными, вход каждого клапана подключен к трубопроводу высокого давления, первый выход - к управляющей полости запорного органа, а второй выход - к трубопроводу низкого давления. Параллельные потоки разбиваются на несколько групп, отличающихся величиной площади проходного сечения одного запорного органа в положении "открыто" между группами, но с равными их значениями внутри каждой группы, при этом величина площади одного проходного сечения для группы с большими их значениями должна быть равна величине площади одного проходного сечения в соседней группе с меньшими сечениями, умноженной на увеличенное на единицу число запорных органов этой группы. Второй выход электромагнитных клапанов управления запорными органами подключается к первому входу двухпозиционного, трехпроходного электромагнитного клапана режимов, его первый выход - к трубопроводу низкого давления, а второй выход - к выходу из запорных органов. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к лопаточным машинам (ЛМ компрессоры, насосы и др.), которые используются для подачи под давлением рабочей среды (газа или жидкости) и управления ее перепуском из проточного тракта.

Известно устройство обеспечения функционирования компрессоров путем перепуска рабочей среды из его проточного тракта, содержащее дроссель (шаровой клапан) с приводом, осуществляющий плавное (непрерывное) изменение площади проходного сечения линии перепуска [1] Недостатком известного устройства является его высокая масса из-за применения для перемещения дросселя электро-, гидро-, пневмоприводов, масса которых обычно равна массе дросселя, и требуется источник электрической или другой энергии. Кроме того, в таком устройстве трудно обеспечить широкий диапазон изменения быстродействия дросселя из-за ограничений на величину скорости его привода. Устройство может выполнять только функции запорного клапана и программного дросселя.

Наиболее близким к заявленному является устройство дискретного управления величиной площади проходного сечения перепуска и соответственно расхода, в основу которого положен принцип разделения общего потока на отдельные параллельные потоки, в каждом из которых расположен запорный орган с электромагнитным клапаном [2] Недостатком известного устройства является низкая надежность его функционирования из-за использования принципа двоичного кода для изменения площади проходного сечения перепуска, требующего использования большого числа резервных клапанов. Устройство также может выполнять только функции запорного клапана и программного дросселя.

Указанные недостатки известных устройств наиболее проявляются при их использовании для управления расходами перепуска по трубопроводам большого диаметра (300 мм и более), например, в системах антипомпажной защиты нагнетателей высокого давления (компрессоров) газоперекачивающих агрегатов. Наблюдается парадокс перепуск газа необходим только при работе компрессора, когда он подает газ с высоким давлением, но энергия этого газа не используется для привода дросселей перепуска, а используются электро-, пневмо-, гидроприводы с внешним источником энергии. Это приводит к тому, что масса привода исчисляется тоннами и практически невозможно открыть или закрыть дроссель за одну секунду и менее. При разбивке общего перепускаемого потока на отдельные потоки реализация такого времени возможна, так как площадь проходного сечения каждого потока становится меньшей и требуются меньшие величины перемещений запорных органов (дросселей) и, следовательно, меньшее время. Однако необходимость одновременного перемещения большого числа дросселей снижает надежность системы из-за возможности отказа каждого из них. Повышение надежности такой системы может быть обеспечено резервированием всех дросселей, что приведет к существенному увеличению массы системы. Следует также заметить, что в трубопроводах перепуска, как правило, для исключения возможности перетока рабочей среды с входа компрессора на его выход устанавливаются обратные клапаны, масса которых сравнима с массой управляемого дросселя.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении металлоемкости конструкции агрегата управления перепуском рабочей среды, повышении его надежности и совмещении в одном агрегате функций запорного клапана, программного дросселя и обратного клапана.

Указанный результат достигается тем, что общий поток рабочей среды разбивают на отдельные параллельные потоки, в каждом из которых содержится запорный орган с электромагнитным клапаном управления, при этом электрический вход электромагнитных клапанов связан с выходом блока управления, запорные органы имеют непроточную управляющую полость, электромагнитные клапаны выполнены двухпозиционными, трехпроходными, вход каждого клапана подключен к трубопроводу высокого давления, первый выход к управляющей полости запорного органа, а второй выход к трубопроводу низкого давления.

Указанный результат достигается также тем, что параллельные потоки разбиваются на несколько групп, отличающихся величиной площади проходного сечения одного запорного органа в положении "открыто" между группами, но с равными их значениями внутри каждой группы, при этом величина площади одного проходного сечения для группы с большими их значениями должна быть равна величине площади одного проходного сечения в соседней группе с меньшими сечениями, умноженной на увеличенное на единицу число запорных органов этой группы.

Указанный результат достигается еще и тем, что в нем установлен двухпозиционный, трехпроходный электромагнитный клапан режимов, первый вход которого соединен с вторыми выходами электромагнитных клапанов управления, первый выход с трубопроводом низкого давления, а второй выход с перепускным потоком после запорных органов.

На фиг. 1 приведена схема реализации данного устройства для управления перепуском газа с выхода на вход компрессора; на фиг.2 подключение электромагнитного клапана изменения режима работы устройства; на фиг.3 переходные процессы по общей площади проходного сечения перепуска при отработке управляющих сигналов.

Устройство содержит запорные органы 4 с электромагнитными клапанами 7. Запорные органы 4 расположены в параллельных потоках 3, на которые разбит перепускаемый по трубопроводу 2 поток газа с выхода компрессора 1 на его вход. Запорные органы 4 имеют непроточную управляющую полость 5, обеспечивающую реализацию двух устойчивых положений органов 4 "открыто" и "закрыто". Переток рабочей среды из трубопровода 2 в полости 5 исключается уплотнительными кольцами 8. Электрический вход электромагнитных клапанов 7 связан с выходом блока управления 9. Электромагнитные клапаны 7 выполнены двухпозиционными трехпроходными, пневматический вход каждого клапана 7 подключен трубопроводами 6 к выходу из компрессора (или другому источнику давления) для обеспечения высокого уровня давления газа в полости 5 при положении запорного органа 4 "закрыто". Первый выход клапана 7 подключен к управляющей полости запорного органа 4, а второй выход к трубопроводу низкого давления, соединяющего управляющую полость с атмосферой Р_н. Второй выход электромагнитных клапанов 7 подключается к первому пневматическому входу двухпозиционного, трехпроходного электромагнитного клапана режимов 10, его первый выход к атмосфере через трубопровод низкого давления, а второй выход к выходу из запорных органов.

Разбивка потока перепускаемой среды на отдельные параллельные потоки проводится исходя из требований по точности величины перепускаемого расхода, путем введения минимально допустимой дискретности по площади сечения перепуска. В результате получается равнопроцентная характеристика по общей площади проходного сечения. Отказ одного из запорных органов в параллельных потоках приведет к потере точности устройства, но сохранению его работоспособности, а при введении резервных органов и без потери точности.

Минимизация количества запорных органов является одним из важных моментов при разработке системы, позволяющих снизить ее массу. Из теории подобия известно, что масса клапанов примерно пропорциональна диаметру трубопровода в кубе и разбивка одного трубопровода на трубопроводы меньшего диаметра уменьшает суммарную массу. Дополнительное ее снижение будет из-за использования энергии давления рабочей среды для перемещения запорных клапанов. Минимальное количество органов без их резервирования получается при разбивке общей площади проходного сечения F_max по принципу двоичного кода, т.е. площади должны отличаться друг от друга в два раза. Количество равных дискретных уровней К, на которые разбивается F_max, связано с количеством разрядов n кода зависимостью два в степени n. Так для точности 3% необходимо 17 уровней и 5-ти разрядный код и, следовательно, 5 органов, а с резервированием 10. Если F_max разбито на сечения равной площади, то для 17 уровней требуется 17 органов, а с резервированием 18.

Снижения количества запорных органов (по сравнению с двоичным кодом с учетом его резервирования при реализации равномерной дискретности проходного сечения перепуска F_max) получается, если N параллельных потоков разбить на М групп, имеющих N1, N2,Nm потоков с равными значениями площадей проходных сечений в каждой, но отличающихся их значениями между группами. При этом площади проходных сечений между каждыми двумя рядом расположенными группами i и i+1, сранжированных по величине площадей в порядке возрастания Fi+1 > Fi, подчиняются следующей зависимости величина площади одного проходного сечения для группы с большими их значениями должна быть равна величине площади одного проходного сечения в соседней группе с меньшими сечениями, умноженной на увеличенное на единицу число запорных органов этой группы, т.е.

Fi+1 (Ri(Ni + 1) (1) Так как величина общей площади проходного сечения Fmax равна сумме площадей всех сечений F_max F1N1 + F2N2 + + FmNm, (2) то число дискретных уровней К при разбивке потока на группы определяется из 1 и 2 с учетом того, что площадь сечения для первой группы имеет минимальное значение F_min и она входит в выражения для второй и всех последующих групп. Тогда имеем: K F_max/F_min N1 + N2 (1 + N1) + (3) + N3(1 + N2(1 + N1)) +.

Для двух групп число уровней К2 равно сумме числа трубопроводов в каждой группе плюс их произведения K2 N1 + N2 + +N1N2. При этом четыре органа в первой группе и три во второй обеспечивают 19 уровней (3 + 4 (34) 19), т.е. всего 7 органов, а с учетом одного резервного в каждой группе 9. Это на один запорный орган меньше чем при разбивке по двоичному коду, где с учетом резервирования, как показано выше, требуется десять клапанов. Следует также учитывать, что при разбивке на группы с одинаковыми сечениями уменьшается стоимость изготовления системы, так как используются однотипные элементы.

Устройство управления перепуском работает следующим образом. В исходном состоянии все запорные органы 4 находятся в положении "закрыто", для чего электромагнитный клапан 7 подсоединяет управляющие полости 5 к выходу компрессора 1 каналом 6. Для реализации требуемого расхода перепуска блок управления определяет необходимое количество запорных органов, которые можно перевести в положение "открыто", и на электрический вход этих клапанов подается напряжение питания. После срабатывания соответствующего электромагнита управляющая полость 5 подсоединяется к атмосфере, давление в полости падает, а так как давление на выходе компрессора высокое, то на запорном органе 4 создается сила, под действием которой он занимает положение "открыто" (положение запорного органа 4 в левой части на фиг.1). При снятии напряжения с электромагнита клапана 7 управляющая полость подсоединяется к выходу из компрессора и под действием силы давления газа (Р_в) на площадь запорного органа 4 со стороны управляющей полости, последний занимает положение "Закрыто" (положение запорного органа 4 в правой части на фиг.1). Для перевода запорного органа 4 из одного положения в другое использована энергия давления.

Многоцелевое применение разработанного по данному предложению агрегата перепуска обеспечивается подключением электромагнитного клапана режимов. Выше описана работа устройства в режиме "клапан", когда все запорные органы 4 находятся в положении "закрыто", и в режиме программного дросселя, когда часть запорных органов занимает положение "открыто". Подключение к второму пневматическому выходу электромагнитных клапанов управления 7 пневматического входа двухпозиционного трехпроходного электромагнитного клапана режимов 10 (фиг.2), первый выход которого подсоединен к атмосфере, а второй выход к выходу из запорных органов, позволяет устройству работать и в режиме "обратный клапан". Для положения "дроссель" при срабатывании электромагнита 10 обеспечивается подсоединение управляющей полости 5 к атмосфере и давление в полости 5 всегда ниже давления на входе и выходе запорного органа, что и обеспечивает реализацию положения органов 4 "открыто". Для положения "обратный клапан" электромагнит 10 подсоединяет управляющую полость 5 к выходу из запорных органов 4. В этом случае при обратном перепаде давлений, когда давление на выходе больше давления на входе, давление в управляющей полости равно давлению на выходе и на запорном органе 4 реализуется перепад давлений и сила на его закрытие. В результате запорные органы переходят в положение "закрыто", что и требуется для режима "обратный клапан".

Разбивка общего перепускаемого потока на отдельные потоки открывает принципиально новые возможности по управлению быстродействием системы перепуска. Подача управляющего кода на одновременное открытие всех запорных органов приводит к быстрому изменению во времени площади перепуска F_п (линия 1 на фиг.3), а при последовательном открытии клапанов величина площади F_п изменяется медленно дискретно с заданным градиентом (линия 2 на фиг.3). Комбинированным последовательно-параллельным включением органов можно реализовать сложные законы изменения площади проходного сечения лини перепуска.

Таким образом, использование в заявленном устройстве энергии давления для управления положением запорных органов в сочетании с разбивкой общего потока перепуска на параллельные потоки, объединяемые в группы для уменьшения числа резервных органов, приводит к снижению металлоемкости конструкции агрегата управления перепуском, к повышению его надежности и совмещении в одном агрегате функций запорного клапана, программного дросселя и обратного клапана.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕПУСКОМ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ, содержащее запорные органы с электромагнитными клапанами управления, установленные в соответствующем из параллельных потоков, на которые разбит общий перепускной поток, трубопроводы запорных органов высокого и низкого давления, а также блок управления, выходы которого связаны с электрическими входами электромагнитных клапанов, отличающееся тем, что запорные органы выполнены с непроточной управляющей полостью, электромагнитные клапаны управления выполнены двухпозиционными трехпроходными, причем вход каждого клапана подключен к трубопроводу высокого давления, первый выход к управляющей полости запорного органа, а второй выход к трубопроводу низкого давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параллельные потоки разбиты на несколько групп, отличающихся величиной площади проходного сечения одного запорного органа в положении "Открыто" между группами, но с равными их значениями внутри каждой группы, при этом величина площади одного проходного сечения для группы с большими их значениями равна величине площади одного проходного сечения в соседней группе с меньшими значениями, умноженной на увеличенное на единицу число запорных органов этой группы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем установлен двухпозиционный трехпроходный электромагнитный клапан режимов, вход которого соединен с вторыми выходами электромагнитных клапанов управления, первый выход с трубопроводом низкого давления, а второй выход с перепускным потоком после запорных органов.