КОМПЕНСАТОР ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ТРУБОПРОВОДА

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к области компенсации перемещений трубопроводов, и может быть использовано для термических компенсации и компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов.

В настоящее время используются различные конструкции компенсаторов, содержащих сильфон и расположенный в нем экран, которые применяются в различных областях машиностроения для механизмов и трубопроводов с газовой или жидкостной средой.

Известен компенсатор системы выхлопа отработавших газов, содержащий сильфон, выполненный с различными гофрами, цилиндрический экран, который установлен по ходу газов соосно внутри сильфона с зазором (1).

В этом компенсаторе гофры в средней части сильфона выполнены большего диаметра, чем крайние, но с одинаковой шириной, что позволяет несколько снизить нагрузки на крайние гофры при аксиальном воздействии.

Преимуществами такого компенсатора является простота конструкции. Его ограничениями являются: такой компенсатор не позволяет в достаточной мере компенсировать термоциклические нагрузки газовой струи; устройство не позволяет уменьшить резонансные колебания сильфона и эффективно погасить радиальные нагрузки от колебаний, передаваемых двигателем; конструкция обладает плохими шумовыми характеристиками.

Известно устройство для гибкого соединения труб для выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, установленный внутри корпуса, и демпферные подушки (2).

Корпус выполняет функцию ограничения перемещения сильфона в осевом направлении. Демпферные подушки выполнены из прессованной металлической проволоки. Внешние торцевые участки стенок корпуса являются подвижными относительно друг друга, что позволяет компенсировать осевое и радиальное перемещение сильфона. Устройство ограничивает осевое перемещение сильфона за счет контропор демпферных подушек. Демпферные подушки из проволоки в настоящее время широко используются в большинстве находящихся в эксплуатации компенсаторов. Преимущество этого технического решения - простота конструкции.

Ограничениями устройства являются: жесткость конструкции корпуса, что не позволяет использовать полезные свойства сильфона и тот имеет ограниченный ход; недостаточная величина компенсации вибраций, поскольку корпус выполнен сплошным, а сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры выходит из строя (прогорает), что является причиной недостаточно высокой надежности и срока эксплуатации; использование демпферных подушек из прессованной металлической проволоки резко уменьшает ход сильфона в осевом направлении, что не позволяет в достаточной мере использовать характеристики сильфона, как основного узла компенсации; применение демпферных подушек из прессованной металлической проволоки приводит к их постепенной усадке в процессе эксплуатации, что уменьшает надежность конструкции и время эксплуатации; конструкция является металлоемкой и обеспечивает только одностороннее восприятие прикладываемой нагрузки.

Известно устройство для гибкого соединения трубопровода системы выпуска выхлопных газов, содержащее сильфон, стенки которого выполнены в виде колец, причем кольца сопряжены между собой выпуклыми поверхностями и вогнутыми поверхностями, соответственно, и, по меньшей мере, два упругих элемента (пластины), установленных снаружи сильфона (3).

Сильфон в этом техническом решении выполнен из двух гофрированных частей, соединенных отрезком трубопровода (площадкой), которая придает дополнительную жесткость устройству. Наличие цилиндрического экрана внутри сильфона в этом техническом решении не описывается. Преимуществом этой конструкции перед аналогичными является связь корпуса сильфона с внешней средой, что позволяет эффективно рассеивать тепловую энергию, а также осуществлять гашение радиальных колебаний.

Ограничениями являются: одностороннее действие сильфона, т.к. при осевых нагрузках тот может работать только на сжатие, ограничение хода сильфона; отрезок трубопровода между двумя гофрированными частями увеличивает жесткость конструкции, что ухудшает восприятие нагрузки при радиальных колебаниях и приводит к неравномерной нагруженности гофр сильфона при осевых и радиальных циклических колебаниях; из-за жесткости крепления упругих пластин к фланцам с двух сторон сильфона устройство практически не воспринимает тангенциальные нагрузки, и при вращении входного и выходного патрубков сильфона происходит поломка упругих пластин и сокращение срока эксплуатации устройства в целом.

Наиболее близким является компенсатор перемещений трубопровода, содержащий сильфон, ограничитель, расположенный снаружи сильфона и предназначенный для ограничения хода гофр сильфона вдоль его продольной оси, один конец которого установлен на входном патрубке сильфона, а другой конец со стороны выходного патрубка сильфона выполнен с возможностью обеспечения продольного и вращательного перемещения гофр сильфона посредством опорного элемента, закрепленного на упомянутом другом конце ограничителя (4).

Этот компенсатор содержит переходники, фланцы, защитный цилиндр, причем защитный цилиндр закреплен с одной стороны на одном из переходников, а на другом переходнике и противолежащей ему стенке цилиндра установлен опорный элемент для ограничения угловых и осевых перемещений сильфона. Фланцы в этом устройстве выполнены в виде подшипников скольжения для компенсации угловых смещений сильфона, а упоры ограничивают перемещение сильфона в осевом направлении.

Ограничениями этого технического решения являются: жесткость конструкции защитного цилиндра, и при наличии осевой вибрации возможно появление стуков или так называемое "пение" сильфона; устройство недостаточно гасит низкие и высокие частоты из-за сплошной конструкции защитного цилиндра; сильфон не связан с внешней средой и под воздействием газов высокой температуры преждевременно выходит из строя, что приводит к недостаточно высокой надежности и сроку эксплуатации из-за значительной термической нагрузки на него из-за отсутствия внутреннего экрана; применение упоров уменьшает ход сильфона в осевом направлении только на величину зазора, что не позволяет высокоэффективно использовать характеристики сильфона и приводит к ограниченности его хода; установка фланцев на патрубках сильфона в виде подшипников скольжения позволяет компенсировать крутящие тангенциальные составляющие перемещения сильфона, однако они в реально эксплуатирующихся устройствах являются незначительными, поэтому использование таких технических элементов не является эффективным, а также усложняет конструкцию в целом; за счет выполнения защитного цилиндра сплошным не удается эффективно компенсировать радиальные составляющие смещения сильфона; отсутствие защитного экрана приводит к невозможности эксплуатации этого устройства для мощных двигателей или подсоединения его непосредственно к выходному коллектору двигателя; конструкция является сложной и использует большое количество деталей.

Решаемая изобретением задача - повышение качества и надежности компенсатора, улучшение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях осевой, радиальной и тангенциальной неустойчивости.

Технический результат, который может быть получен при выполнении компенсатора, - повышение долговечности и снижение шумовых характеристик, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.

Для решения поставленной задачи в компенсаторе перемещений трубопровода, содержащем сильфон, ограничитель, расположенный снаружи сильфона и предназначенный для ограничения хода гофр сильфона вдоль его продольной оси, один конец которого установлен на входном патрубке сильфона, а другой конец со стороны выходного патрубка сильфона выполнен с возможностью обеспечения продольного и вращательного перемещения гофр сильфона посредством опорного элемента, закрепленного на упомянутом другом конце ограничителя, согласно изобретению сильфон выполнен с, по меньшей мере одной, широкой гофрой, расположенной со стороны выходного патрубка, а ограничитель выполнен упругим и его опорный элемент кинематически связан с, по меньшей мере одной, упомянутой широкой гофрой.

Возможны дополнительные варианты выполнения компенсатора, в которых целесообразно, чтобы:
- ограничитель был выполнен, по меньшей мере, из двух упругих элементов, одни концы которых установлены на входном патрубке сильфона, а другие снабжены упомянутым опорным элементом;
- упругий элемент был выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения;
- упругий элемент был выполнен в виде пластины или проволоки, один конец упругого элемента был закреплен непосредственно на входном патрубке сильфона, а со стороны гофры первой со стороны входного патрубка был выполнен плавный изгиб упругого элемента, радиус которого был бы выбран не меньшим, чем радиус выпуклой поверхности упомянутой широкой гофры;
- опорный элемент был выполнен в продольном сечении сильфона С-образным, закреплен на конце упругого элемента со стороны выходного патрубка и расположен С-образной впадиной на выпуклости гребня упомянутой широкой гофры сильфона;
- со стороны выходного патрубка сильфон был выполнен с двумя широкими гофрами, опорный элемент был выполнен в виде кольца, закрепленного на упругих элементах со стороны выходного патрубка и размещенного между упомянутыми широкими гофрами сильфона;
- был введен цилиндрический экран, который установлен соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с входным патрубком сильфона;
- выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона были выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры было выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, а отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2;
- была введена втулка, закрепленная на входном патрубке сильфона, а конец упругого элемента был установлен во втулке с возможностью его вращения.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг. 1 изображает компенсатор, с опорным элементом, расположенным между широкими гофрами сильфона.

Фиг. 2 - то же, что фиг.1, с опорным элементом, расположенным на гребне широкой гофры сильфона.

Фиг. 3 - то же, что фиг.1, с концом упругого элемента, установленным во втулке входного патрубка.

Компенсатор перемещений трубопровода (фиг.1, 2) содержит сильфон 1 и ограничитель 2. Ограничитель 2 расположен снаружи сильфона 1. Один конец ограничителя 2 установлен на входном патрубке 3 сильфона 1, а другой конец со стороны выходного патрубка 4 сильфона 1 выполнен с возможностью обеспечения продольного и вращательного перемещения гофр сильфона 1 посредством опорного элемента 5. Опорный элемент 5 закреплен на конце ограничителя 2, ближайшем к выходному патрубку 4.

Сильфон 1 выполнен с, по меньшей мере одной, широкой гофрой 6. Широкая гофра 6 расположена со стороны выходного патрубка 4. Ограничитель 2 выполнен упругим и его опорный элемент 5 кинематически связан с, по меньшей мере одной, широкой гофрой 6.

Возможны дополнительные варианты выполнения компенсатора (фиг.1, 2), в которых целесообразно, чтобы:
- ограничитель 2 был выполнен, по меньшей мере, из двух упругих элементов, одни концы которых установлены на входном патрубке 3 сильфона 1, а другие были снабжены упомянутым опорным элементом 5;
- упругий элемент был выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения;
- упругий элемент был выполнен в виде пластины или проволоки, один конец упругого элемента закреплен непосредственно на входном патрубке 3 сильфона 1, а со стороны гофры сильфона 1, первой со стороны входного патрубка 3, был выполнен плавный изгиб 7 упругого элемента, радиус которого был выбран не меньшим, чем радиус выпуклой поверхности упомянутой широкой гофры 6;
- опорный элемент 5 был выполнен (фиг.2) в продольном сечении сильфона 1 С-образным, закреплен на конце упругого элемента со стороны выходного патрубка 4 и расположен С-образной впадиной на выпуклости гребня упомянутой широкой гофры 6 сильфона 1;
- со стороны выходного патрубка 4 сильфон 1 был выполнен с двумя широкими гофрами 6, опорный элемент 5 был выполнен в виде кольца, закрепленного на упругих элементах со стороны выходного патрубка 4 и размещенного между упомянутыми широкими гофрами 6 сильфона 1;
- был введен цилиндрический экран 8, который установлен соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с входным патрубком 3 сильфона 1;
- выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона 1 были выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры 6 к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры 9 было выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, а отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой 6 и узкой гофрой 9 к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами 9 - в диапазоне от 1,0 до 2,2;
- была введена втулка 10 (фиг.3), закрепленная на входном патрубке 3 сильфона 1, а конец упругого элемента был установлен во втулке 10 с возможностью его вращения.

Работает компенсатор перемещений трубопровода (фиг.1, 2) следующим образом.

Вибрации от работающего двигателя и прерывистый поток горячих газов воздействуют на компенсатор через входной патрубок 3. Вибрационные колебания воздействуют на цилиндрический экран 8 (при его наличии) или непосредственно на сильфон 1. Эти колебания имеют осевые, радиальные и тангенциальные составляющие. Поскольку ограничитель 2 выполнен упругим он производит компенсацию этих составляющих для различных направлений колебаний относительно продольной оси сильфона 1. Так, поскольку опорный элемент 5 кинематически связан с, по меньшей мере одной, упомянутой широкой гофрой 6, то для гашения осевых составляющих при расширении или сужении узких гофр 9 и, по меньшей мере, одной широкой гофры 6 сильфона 1, ограничитель 2 функционирует как демпфер в обоих направлениях вдоль продольной оси сильфона 1. Для гашения радиальных составляющих ограничитель 2 смещается вместе с гофрами сильфона 1 относительно его продольной оси, а т.к. другой его конец кинематически связан непосредственно с широкой гофрой 6, обладающей большей жесткостью, то осуществляется компенсация перемещения узких гофр 9 на величину, пропорциональную меньшей величине перемещения широкой гофры 6 относительно продольной оси сильфона 1. При гашении тангенциальных составляющих узкие гофры 9 сильфона 1 подвержены большему крутящему моменту, чем широкая гофра 6. При этом узкие гофры 9 должны были бы перемещаться на большую величину, чем широкая гофра 6, а узкие гофры 9, расположенные ближе к месту приложения вращающей силы, перемещаются на большую величину, чем узкие гофры 9, расположенные дальше от места ее приложения. Однако поскольку ограничитель 2 через свой опорный элемент 5 кинематически связан с широкой гофрой 6, в меньшей степени подверженной вращению, то происходит выравнивание прикладываемых вращательных моментов на каждую из узких гофр 9. Таким образом, каждая из узких гофр 9 имеет практически равную величину вращательного перемещения относительно продольной оси сильфона 1.

В зависимости от технико-эксплуатационных характеристик компенсатора количество широких гофр 6 со стороны выходного патрубка 4 может быть выбрано в количестве от одной и более. Понятно, что при этом сами узкие и широкие гофры 6, 9 сильфона 1, при использовании непосредственно самого сильфона 1, как компенсатора колебаний, за счет выполнения его стенок гофрированными, участвуют в гашении указанных составляющих вибрационных колебаний за счет упругости материала стенок сильфона 1, подвижности гофр и способности сильфона 1 к реакции на перемещения входного и выходного патрубков 3, 4.

Таким образом, особенностью настоящего изобретения является отсутствие каких-либо дополнительных демпфирующих элементов, которые обычно используются в известных технических решениях, например, таких как, демпферные подушки из прессованной металлической проволоки, упоры хода ограничителя и т. п. , которые подвержены быстрому износу и сокращению срока эксплуатации устройства, а также усложняют конструкцию в целом. В заявленном техническом решении основным элементом гашения вибрации является непосредственно сильфон 1, ход которого в различных направлениях для различных составляющих колебаний вибрации ограничен непосредственно упругим ограничителем 2. Кинематическая связь опорного элемента 5 с, по меньшей мере одной, широкой гофрой 6, расположенной со стороны выходного патрубка 4 сильфона 1, позволяет устранить неодинаковость хода гофр сильфона 1 в различных направлениях относительно его продольной оси и обеспечить функционирование каждой из гофр сильфона 1 в равномерно нагруженном режиме (а сам сильфон 1 становится конструктивным элементом, обеспечивающим максимальную возможность гашения вибраций и максимально проявляет свои технические и эксплуатационные возможности). Упругость ограничитель 2 может быть достигнута за счет выбора соответствующего материала или изготовлением на ограничителе 2 изгиба. Этот изгиб может быть выполнен в виде плавного изгиба, витка, петли, С-образный, Ω-образный и т.п.

Для улучшения рассеивания тепловой энергии от поверхности сильфона 1 в термически нагруженных режимах функционирования компенсатора ограничитель 2 может быть выполнен, по меньшей мере, из двух упругих элементов, одни концы которых установлены на входном патрубке 3 сильфона 1, а другие снабжены опорным элементом 5. В отличие от использования упругой втулки в качестве ограничителя 2 этот вариант позволяет осуществить отвод тепла непосредственно с поверхности сильфона 1, что особенно важно в системах выхлопа двигателей внутреннего сгорания, где возможно осуществить под днищем автомобиля обдув сильфона 1 потоками воздуха окружающей среды. Это позволяет использовать сильфон 1, подсоединенный непосредственно к выходному коллектору двигателя внутреннего сгорания, с возможностью термокомпенсации выходных газов и колебания их струи.

Упругий элемент ограничителя 2 может быть выполнен прямоугольного, или квадратного, или овального, или круглого поперечного сечения, что по существу не влияет на характеристики функционирования сильфона 1, снабженного ограничителем 2 с кинематической связью через опорный элемент 5 с выходной широкой гофрой 6.

Упругий элемент может быть выполнен в виде пластины или проволоки, один конец этого упругого элемента (фиг.1, 2) ограничителя 2 закреплен непосредственно на входном патрубке 3 сильфона 1, а со стороны гофры первой (узкой или широкой) со стороны входного патрубка 3 выполнен плавный изгиб 7 упругого элемента. Радиус плавного изгиба 7 выбран не меньшим, чем радиус выпуклой поверхности широкой гофры 6. Требуемые упругие характеристики ограничителя 2 в общем случае могут быть получены применением соответствующего материала для его изготовления. Однако поскольку сильфон 1 подвержен термоциклическим нагрузкам, меньшим, но сопоставимым с термическими нагрузками на упругий элемент, то желательно сильфон 1 и ограничитель 2 выполнять из одного и того же материала. При изготовлении ограничителя 2 его упругость может быть достигнута за счет различных технических средств, например за счет изгиба упругого элемента под углом, или с соответствующим радиусом и т.п. Однако чтобы не увеличивать поперечные габариты конструкции, как показали испытания, достаточно выполнить радиус плавного изгиба 7 не меньшим, чем радиус выпуклой поверхности широкой гофры 6. В этом случае линейное увеличение или уменьшение упругого элемента ограничителя 2 оказывается вполне достаточным для обеспечения эффективного гашения различных составляющих вибраций, передаваемых от двигателя сильфону 1.

Опорный элемент 5 может быть выполнен в продольном сечении сильфона 1 С-образным (фиг.2). Этот опорный элемент 5 закреплен на конце упругого элемента ограничителя 2 со стороны выходного патрубка 3 и расположен С-образной впадиной на выпуклости гребня упомянутой широкой гофры 6 сильфона 1. Этот опорный элемент 5 может быть выполнен в виде втулки С-образного сечения или в виде отдельных деталей, что не является принципиальным.

В другом варианте со стороны выходного патрубка 4 сильфон 1 выполнен с двумя широкими гофрами 6 (фиг.1). Опорный элемент 5 выполнен в виде кольца (или стойки), закрепленного на упругих элементах со стороны выходного патрубка 4 и размещенного между упомянутыми широкими гофрами 6 сильфона 1. Эта конструкция также позволяет обеспечить кинематическую связь ограничителя 2 с широкой гофрой 6. Однако она отличается большей подвижностью опорного элемента 5 и ее предпочтительно использовать при наличии большинства составляющих вибрационных колебаний двигателя и при их большой амплитуде.

Для первичной термокомпенсации выхлопных газов двигателя и при соединении заявленного компенсатора непосредственно к его выходному коллектору в конструкцию введен цилиндрический экран 8, который установлен соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с входным патрубком 3 сильфона 1. При прохождении газов через сильфон 1 первичную термо- и вибрационную нагрузку воспринимает на себя цилиндрический экран 8. Этот экран препятствует прогоранию сильфона 1 и увеличивает срок эксплуатации компенсатора, не влияя на его другие указанные, улучшенные эксплуатационные характеристики. Цилиндрический экран 8 желательно использовать для мощных двигателей, обладающих повышенной температурой газовой струи на выходе коллектора.

Выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона 1 могут быть выполнены в продольном сечении сильфона 1 в виде полуокружностей. Отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры 6 к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры 9 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой 6 и узкой гофрой 9 к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами 9 - в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Как показали испытания, подобная геометрия узких гофр 9 и широкой гофры 6 изменила характер нагрузки на узкие гофры 9 и в целом на сильфон 1 независимо от длины и диаметра сильфона 1, а также места расположение широкой гофры 6. Увеличилась устойчивость сильфона 1, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 9 (фиг.1, 2), расположенные от широкой гофры 6 слева или справа, стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей и вогнутых поверхностей узких гофр 9 и широких гофр 6 в продольном сечении сильфона 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах гребня упомянутых гофр. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время наработки сильфона 1 на отказ. Сам сильфон 1 приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней.

Для уменьшения трения опорного элемента 5 о широкую гофру 6 при тангенциальных колебаниях введена втулка 10 (фиг.3), закрепленная на входном патрубке 3 сильфона 1, а конец упругого элемента установлен во втулке 10 с возможностью его вращения. Таким образом, со стороны как входного, так и выходного патрубков 3, 4 ограничитель 2 приобретает возможность перемещения своих концов по окружности, что является важным при больших вращательных нагрузках, а данный вариант конструкции не может привести к поломке ограничителя 2 или истиранию широкой гофры 6.

Наиболее успешно заявленный компенсатор перемещений трубопровода промышленно применим в системах выхлопа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, однако он может быть успешно использован и в других гидропневмосистемах для транспортировки жидкостей или газов.

Источники информации
1. Патент Германии 893734, F 16 L 51/02, опубл. 1949 г.

2. Заявка на выдачу патента Российской Федерации 94017845, F 01 N 7/08, опубл. 1996 г.

3. Патент Великобритании 1450555, F 16 L 51/00, опубл. 1976 г.

4. Патент Российской Федерации 21467865, F 16 L 51/02, опубл. 2000 г.