компенсатор сдвигово-поворотных перемещений

Формула изобретения

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений, содержащий сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу со сферическими опорами и тяги, отличающийся тем, что тяга выполнена в виде однозвенного элемента - втулки с внутренними буртиками, снабженными сферическими опорами, взаимодействующими со сферическими опорами концевых элементов, при этом втулка установлена снаружи сильфонов, образуя замкнутую кольцевую полость, кроме того, между втулкой и концевыми элементами дополнительно установлены герметичные кольцевые оболочки, вместе с тем, взаимодействие сферических поверхностей втулки и концевых элементов осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода, а компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компенсационным устройствам систем трубопроводов, преимущественно к обвязкам газонефтеперекачивающих станций.

Известен выбираемый в качестве аналога компенсатор сдвигово-поворотных перемещений, патент на изобретение RU 2224168 С1 (заявка №2002122360), приоритет изобретения 13 августа 2002 г., опубликовано 20.02.2004 Бюл. №5, (51) МПК ⁷ F 16 L 51/02, содержащий сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу и тяги, при этом тяги выполнены в виде упругих плоских направляющих, установленных параллельно в одной плоскости, проходящей через продольную ось сильфонов, и шарнирно закреплены на концевых элементах, образуя шарнирный параллелограмм.

В известном компенсаторе решается задача снижения сопротивления перемещению и, соответственно, перестановочного усилия от воздействия динамических и статических нагружений сдвига в одном направлении, перпендикулярном плоскости плоских направляющих, и задача снижения перестановочного момента при повороте относительно оси строго одного направления. Причинами, препятствующими использованию известного компенсатора, являются значительное перестановочное усилие сдвига при перемещениях по всей плоскости сдвига ввиду наличия шарнирных пар трения, невозможность обеспечения угловых перемещений относительно оси поворота любого направления. Известный компенсатор снижает общий уровень вибрации благодаря наличию сильфона и гибких тяг. Однако снижение общего уровня вибрации не достаточно эффективно ввиду передачи вибрационных нагрузок через тяги при их жестком соединении с концевыми элементами компенсаторов.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков к заявляемому объекту является компенсатор сдвигово-поворотных перемещений малой жесткости, см. на патент на изобретение RU 2227859 С2 (заявка №2002110394), приоритет от 11 апреля 2002 г., опубликовано 20.11.2003 Бюл. №32, (51) МПК ⁷ F 16 L 51/03, содержащий сильфоны с концевыми элементами и тяги в виде плоских направляющих, расположенных вдоль оси сильфонов и жестко закрепленных одними концами на концевых фланцах, при этом две пары упругих плоских направляющих установлены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а между сильфонами и плоскими направляющими дополнительно введен жесткий соединительный элемент, выполненный в виде катушки, к кольцам которой жестко попарно закреплены другие концы пар плоских направляющих. Вместе с тем сильфоны взаимодействуют с концевыми фланцами через сферические опоры.

Известный компенсатор содержит два упругих параллелограмма, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющие жесткую связь между собой на одном из концов, образуя общий механизм. Суммарно параллелограммы обеспечивают перемещения сдвига по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, причем перестановочные усилия, учитывая свойства упругой направляющей, невелики и, соответственно, общее сопротивление перемещению компенсатора при сдвиге мало. В известном устройстве угловые перемещения обеспечиваются за счет сферических пар трения, расположенных между сильфонами и концевыми элементами. Причиной, препятствующей использованию известных компенсаторов, являются значительные перестановочные моменты при компенсационных угловых перемещениях. В реальных условиях применения (обвязки газонефтеперекачивающих станций) при требуемых параметрах (Ду 400-1000 мм и Ру 10 МПа) в трубопроводах возникают значительные распорные усилия (1200-10000 кН), при этом перестановочный момент компенсатора, зависящий от распорного усилия, при использовании сферических пар трения также значителен (60-1000 кН×м). Известные компенсаторы находят применение в условиях статических угловых перемещений трубопроводов, но для защиты агрегатов в условиях динамических воздействий требуются компенсаторы с малым сопротивлением перемещению не только при сдвиговых перемещениях, но и при угловых перемещениях. В реальных условиях эксплуатации при номинальной мощности насосного агрегата в 8000 кВт создаются значительные динамические нагрузки, при этом развязка агрегата с трубопроводом с помощью компенсатора требует обеспечения компенсационных перемещений сдвига по всей плоскости, проходящей через продольную ось компенсатора, а также поворотных (угловых) перемещений с осью поворота любого направления, лежащей в плоскости сдвига. Известный компенсатор снижает общий уровень вибрации благодаря наличию сильфона и гибких тяг. Однако снижение общего уровня вибрации не достаточно эффективно ввиду передачи вибрационных нагрузок через тяги при их жестком соединении с концевыми элементами компенсаторов.

Сущность компенсатора сдвигово-поворотных перемещений, содержащего сильфоны с концевыми элементами крепления к трубопроводу со сферическими опорами и тяги, согласно предлагаемому решению заключается в том, что тяга выполнена в виде однозвенного элемента - втулки с внутренними буртиками, снабженными сферическими опорами, взаимодействующими со сферическими опорами концевых элементов, при этом втулка установлена снаружи сильфонов, образуя замкнутую кольцевую полость, кроме того, между втулкой и концевыми элементами дополнительно установлены герметичные оболочки, вместе с тем, взаимодействие сферических поверхностей втулки и концевых элементов осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода, а компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки.

В предлагаемом решении тяга, выполненная в виде однозвенного элемента - втулки, воспринимает распорное усилие трубопровода, передающееся через концевые элементы компенсатора и две пары сферических опор. Однозвенность тяги, снабженной сферическими шарнирами, обеспечивает компенсатору сдвигово-поворотные перемещения по заданным направлениям: сдвиг по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, угловые перемещения любого направления. Сдвиг одного концевого элемента относительно другого осуществляется суммарным перемещением: поворотом тяги с принадлежащими ей сферическими опорами (вогнутыми) в одном направлении относительно сферической опоры (выпуклой), принадлежащей неподвижному концевому элементу, и поворотом второго концевого элемента с принадлежащей ему сферической опорой в противоположном направлении. Поворот (угловое перемещение) относительно любой оси осуществляется раздельным или совместным вращением концевых элементов по сферическим поверхностям. Взаимодействие сферических поверхностей на опорах концевых элементов и втулки осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия трубопровода. С этой целью компенсатор дополнительно снабжен внешней системой создания давления разгрузки, включающей насосный агрегат, дроссели и систему слива. Рабочая среда (водоглицериновая смесь) через подводящие каналы в сферических опорах втулки поступает под давлением в кольцевую щель сферических пар трения, достаточным для поддержания необходимых размеров кольцевой щели. Выполнение тяги в виде втулки, устанавливаемой снаружи компенсатора, и дополнительное оснащение компенсатора герметичными кольцевыми оболочками (например, резиновыми тороидальной формы), устанавливаемыми между концевыми элементами и сферическими опорами втулки, обеспечивают наличие кольцевых полостей для сбора и перелива рабочей среды в бак насосного агрегата для образования замкнутого цикла подачи давления разгрузки. Герметичные кольцевые оболочки не препятствуют компенсатору выполнять рабочие перемещения, их дополнительное влияние на сопротивление перемещению незначительно. Предлагаемое решение компенсатора позволяет существенно снизить общий уровень вибрации и ударные нагрузки в трубопроводе благодаря взаимодействию сферических опор компенсатора через гидростатическую смазку, являющуюся демпфером динамических нагрузок.

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений поясняется чертежом, где представлен продольный разрез компенсатора с гидравлической схемой системы гидростатической разгрузки от распорного усилия.

Компенсатор сдвигово-поворотных перемещений включает в себя сильфоны 1, взаимодействующие с концевыми элементами 2, тягу 3, выполненную в виде втулки с внутренними буртиками, на которые опираются сферические опоры 4, взаимодействующие со сферическими опорами 5, опирающимися на концевые элементы 2. Сильфоны 1 с вставкой 6 и тягой 3 образуют замкнутую кольцевую полость 7. Между сферическими опорами 4 и концевыми элементами 2 установлены герметичные кольцевые оболочки 8, образующие замкнутые полости 9. Между сферическими опорами 4 и внутренними буртиками втулки 3 установлены два компенсационных полукольца 10 для компенсации погрешностей линейных размеров сборки и влияния утяжки сварного шва на тяге 3 (втулке). Взаимодействие сферических поверхностей опор 4 и 5 осуществляется с гидростатической разгрузкой от распорного усилия, которая обеспечивается подачей рабочей среды (водоглицериновая смесь) под давлением от внешней системы создания разгрузки. Система разгрузки включает насосный агрегат 11, дроссели 12 и систему слива 13 рабочей среды из кольцевых полостей 7 и полостей 9, образованных герметичными кольцевыми оболочками 8.

Таким образом, в компенсаторе сдвигово-поворотных перемещений тяга воспринимает распорное усилие трубопровода. За счет однозвенности тяги, установленной на сферических шарнирах, обеспечивается возможность осуществления суммарно или раздельно рабочих перемещений сдвига по всей плоскости, перпендикулярной продольной оси компенсатора, а также поворотных (угловых) перемещений с осью поворота любого направления, лежащей в плоскости сдвига. При этом сопротивление перемещениям сдвига и поворота минимальны, так как коэффициент трения в сферических парах при гидростатической разгрузке распорного усилия незначителен. Дополнительным эффектом гидроразгрузки является значительное снижение общего уровня вибрации, так как гидростатическая смазка является демпфером вибрационных и ударных нагрузок трубопровода.