Главная | Обратная связь

Особенности выбора, разработки и эксплуатации газовых редукторов

автономные изолирующие аппараты , которые используют сжатую газовоздушную смесь, имеют три степени её давления:

- высокое, меняющееся от 20-30 МПа до уровня нормального редуцирования (около 1 МПа в большинстве аппаратов, хотя могут быть и другие значения, например, у КИП-8 такое давление составляет 3 МПа);

- редукционное (как правило, около 0,4 МПа, хотя в АИР-317, например, оно составляет 0,7-0,05 МПа);

- давление в подмасочном пространстве АСВ или в воздухопроводной системе РДА, которое равно атмосферному (0,1 МПа) или является близким к нему.

Из приведенного ранее видно, что одним из важнейших узлов автономных изолирующих аппаратов со сжатой газовоздушной смесью является редуктор. По принципу действия редуктор является регулятором (стабилизатором) давления газа с отдельной обратной связью. В АСВ и РДА используются редукторы прямого (см. рис. 4.1а) и обратного (4.1б) действия.

Редуктор прямого действия (см. рис. 4.1) состоит из регулирующей гайки 1, регулирующей пружины 2, отводного штуцера 3 с дросселем, толкачей (шпилек) 4, пружины клапана 5, клапанной парой (клапана 6 и седла 7), обеспечивающих дросселирование газа, подводного штуцера 8, мембраны 9 и корпуса 10. дроссель постоянного _______, который находится в штуцере 3, может быть расположен за редуктором у ______ редуцированного давления кислорода.

Корпус, клапан, толкачи редуктора изготавливаются из латуни, мембрана 9 из специальной прорезиненной ткани, подушка клапана из фторопласта или другой пластмассы.

Давление газа в редукторе поддерживается на трёх уровнях:

- на входе и до клапанной пары 6-7 – высокое давление Р₁;

- в камере редуктора под мембраной и до дросселя в штуцере 3 – редуцированное Р₂;

- в надмембранном пространстве – Р_атм (атмосферное давление).

Во время работы редуктора высокое давление газа распространяется до кольцевого зазора между седлом 7 и подушкой клапана 6, через который поступает в камеру редуктора.

Сущность регулирования давления состоит в том, что размер зазора между седлом и подушкой клапана и связанная с ним объёмная скорость поступления газа автоматически устанавливается на таком уровне, чтобы в камере редуктора поддерживалось постоянное расчетное давление.

Кольцевой зазор обеспечивается взаимодействием сил, одни из которых стремятся увеличить его (открыть клапан), а другие уменьшить (закрыть клапан). Усилия запорной пружины клапана 5 меньше, чем усилия регулирующей пружины 2. вследствие этого общей силой F1, под действием которой открывается клапан 6, считалось общее действие обоих пружин 2 и 5 и некоторое усилие жесткости мембраны 9. кроме того, в редукторе прямого действия открыть клапан стремится сила F3, которая возникает вследствие высокого давления газа на поверхность клапана, площадь которой равна площади поперечного _______ седла.

Сила F2, выполняющая роль обратной связи, зависит от зазора в клапанной паре. Этот зазор принято называть высотой подъёма клапанаh. Если при действительном режиме работы редуктора по какой-нибудь причине возникнет переподъём клапана над седлом, то в этом случае увеличивается расход газа через клапанную пару, а вследствие этого давление в камере редуктора p₂ и сила F₂,под действием которой движимая система займет выходное положение. Таким образом, движимая система редуктора автоматически и стойко устанавливается в положение, обеспечивающее стабильное рабочее давление газа в камере редуктора.

Редуктор обратного действия состоит из таких же элементов и действует также, как и редуктор прямого действия. Принципиальная разница состоит в том, что клапанная пара 6-7 находится в камере высокого давления р₁, а толкатель 4 клапана проходит в середину седла. В этом редукторе высокое давление газа р₁ стремится закрыть клапан поддействием силыF₃.

Уравнение равновесия движимой системы редукторов прямого и обратного действия имеет следующий вид:

(4.1)

Знак «плюс» относится к редуктору прямого, а знак «минус» - редуктору обратного действия.

Силу F₁ (H) можно обозначить через её начальное значение F₀ при закрытом клапане:

(4.2)

где r – суммарная жёсткость всех пружинных элементов движимой системы редуктора, Н/м.

СилаF₂ (H)равна-----разницы давлений,действующих на эффективную площадь мембраны S_m (м²);

(4.3)

, (4.4)

где D и d– соответственно диаметры свободной (незащемлённой) части мембраны и жесткого центра, м.

Сила F₃ (H):

, (4.5)

где S_с – площадь седла клапана, м².

Подставляя в уравнение (4.1) выражения (4.2), (4.3), (4.5) и ------ членомp₂S_с, в следствии его малой величины, получаем уравнение равновесия движимой системы в развёрнутом виде:

. (4.6)

максимальный расход газа в редукторе со свободным -------- седла обеспечивается при высоте подъёма клапана h_max= 0.25* d_c, а в редукторе с толкачом – при

, (4.7)

где d_r – диаметр толкача.

При h = 0 и абсолютно гладких поверхностях седла и подушки клапана расход газа должен быть равен нулю. В реальном редукторе при h = 0 газ проходит через сетчатую поверхность в клапанные пары. Если этот поток больше допустимого расхода газа, то для обеспечения последнего редуктор должен работать в режиме взаимодействия в клапанной паре.

При этом клапан должен прижиматься к седлу дополнительной силой, приводящей к уменьшению поверхности пустот в зоне контакта сквозь которые имеет место утечка газа, главным образом, за счет пружинной деформации материала пружины.

Дополнительное усилие, закрывающее клапан и возникающее за счет некоторого увеличения давления в камере редуктора, обозначает реакцию седла R_с, размер которой зависит от глубины пружинного вдавливания седла в подушку клапана h₁ (высота подъёма клапана со знаком минус).

При значении вдавливающей силы, и реакции седла R_с=R_с (h₁), которое обычно находят экспериментальным путём, клапанная пара герметизируется. Это имеет место в следствии приостановки отбора газа после редуктора и сопровождается некоторым увеличением давления p₂.

Такой режим работы имеет место в аппаратах на сжатом воздухе, а также в РДА без постоянной подачи кислорода, в которых лёгочный автомат заполняется от редуктора, когда клапан этого автомата закрыт.

В режиме силового взаимодействия в контактной паре уравнения равновесия движимой системы редуктора имеет вид:

(4.8)

 

Откуда редуцированное давление:

. (4.9)

Основным показателем качества работы редуктора как регулятора давления является образование редуцированного давления p₂ при изменении двух параметров давления на входе p₁ и массового расхода газа m. Функциональная зависимость p₂=p₂(p₁;m) имеет сложный вид и называется статической характеристикой редуктора.

Зависимость изменения редуцированного давления ∆p₂от p₁ возможно вычислить, если принять m=0, тоесть для безрасходного режима. Для этого уравнения (4.9) сначала записывается для двух значений начального давления: p_1maxиp_1min. После этого отнимают от первого второе.

Учитывая, первые четыре члена в скобках имеют одинаковые значения в обоих случаях, выражение имеет вид :

 

 

. (4.10)

То есть изменение пропорционально отношению плоскости седла клапана к эффективной плоскости мембраны. Знак ± указывает на то, что в редукторе прямого действия по мере расхода газа из баллона редуцированное давление уменьшается, а в редукторе обратного действия- увеличивается. Такая же зависимость сохраняется и для режима с расходом газа, но в этом случае на неё влияет высота подъёма клапана и изменение произведения r*h.

В существующих редукторах прямого действия плоскость седла клапана составляет около 0,05% эффективной плоскости мембраны, а в редукторах обратного действия – около 0,1%. Благодаря этому обеспечивается высокая стойкость вторичного давления.

Аналогичным образом находится зависимость давления ∆p₂ от изменения высоты подъёма клапана h,то есть от расхода mв пределах работы подъёма редуктора без силового взаимодействия в клапанной паре, при p₁ = Соnst. Из выражения (4.6)

. (4.11)

если записать это выражение для h_maxиh_minи отнять от первого выражения второе, то получим:

. (4.11)

То есть в редукторах двух типов с увеличением расхода газа редуцированное давление уменьшается пропорционально жёсткости пружинных элементов обращено пропорционально эффективной плоскости мембраны.

В современных автономных изолирующих аппаратах со сжатой газовоздушной смесью используют разнообразные типы редукционных клапанов.

Шпильковый редуктор прямого действия (см. рис. 4.1.а) в своё время использовался в аппаратах РКР3, РКК1, РКК2, КИП5. редуктор такого же типа, но с разгруженным клапаном (см. рис. 4.1.а с деталью 11)используется в РДА BG 174 и Travox- 120 фирмы «Дрегерверн».

Редуктор обратного действия (см. рис. 4.1.б) с металлическим клапаном, который имеет форму конуса, и седлом из фторопласта используют в РДА Р12, Р30, Р35, а также в аппарате на сжатом воздухе АСВ-2М. поршневой редуктор обратного действия используется в конструкциях резервуарных аппаратов АИР-317 (217) и аппаратах на сжатом воздухе фирмы «Дрегерверк».

Это вызвано тем, что поршневой чувствительный элемент (см. рис. 4.2), который состоит из поршня и гильзы является самым эффективным при использовании в газовых редукторах, когда выходное давление имеет довольно большие значения. В следствии этого, к стати, давление Р₂в камере редуктора АИР-317 (который составляет 0,7-0,5 МПа) значительно больше, чем в камере мембранного редуктора АСВ- 2МВ. В самоспасателе «OXI-SR45» фирмы «Дрегенверн» использован оригинальный редуктор обратного действия с разгруженным клапаном. Вместо мембраны в качестве чувствительного элемента в нем используется малогабаритный металлический сильфон.

Сильфонный чувствительный элемент (см. рис. 4.3) отличается от мембранного тем, что имеет линейную зависимость деформации от нагрузки, имеет больший ход, а его эффективная плоскость не зависит от давления. Кроме того, с помощью сильфонных чувствительных элементов наиболее простым способом можно обеспечить поддержание регулятором абсолютного давления на выходе путём образования герметической вакуумной сильфонной коробки.

Вследствие этого, в «OXI-SR45», хотя его статистическая характеристика немного хуже, чем в упомянутых выше, редуктор вписывается в цилиндр с диаметром 19 мм и является самой малогабаритной современной конструкцией газового редуктора, имеет такие ТТХ, что соответствуют условиям автономных изолирующих СИЗОД на сжатой газовоздушной смеси.