|
|
Автономні ізолюючі апарати, які використовують стиснуту газоповітряну суміш, мають три ступеня її тиску:
- високий, що змінюється від 20-30 МПа до рівня нормального редукування (біля 1 МПа у більшості апаратів, хоча можуть бути й інші значення, наприклад, в КІП-8 такий тиск становить 3 МПа);
- редукований (як правило , біля 0,4 МПа, хоча в АІР 317, наприклад, він становить 0,7-0,05 МПа);
- тиск у підмасочному просторі АСП або у повітропровідній системі РДА, який дорівнює атмосферному (0,1 МПа) або є близьким до нього.
З наведеного раніше видно, що одним з найважливіших вузлів автономних ізолюючих апаратів зі стиснутою газоповітряною сумішшю є редуктор. За принципом дії редуктор є регулятором (стабілізатором) тиску газу з від’ємним зворотним зв’язком. В апаратах на стиснутому повітрі та регенеративних дихальних апаратах застосовуються редуктори прямої (див. рис. 4.1а) та зворотної (див. рис. 4.1б) дії.
Редуктор прямої дії (див. рис. 4.1) складається з регулювальної гайки 1, регулювальної пружини 2, відвідного штуцера 3 з дроселем, штовхачів (шпильок) 4, пружини клапана 5, клапанної пари (клапана 6 та сідла 7), що забезпечує дроселювання газу, підвідного штуцера 8, мембрани 9 та корпуса 10. Дросель постійного перетину, що знаходиться у штуцері 3, може бути й поза редуктором у споживача редукованого тиску кисню.
Корпус, клапан, штовхачі редуктора виготовляються з латуні, мембрана 9 зі спеціальної прогумованої тканини, подушка клапану з фторопласту або іншої пластмаси.
Тиск газу в редукторі підтримується на трьох рівнях:
- на вході й до клапанної пари 6-7- високий тиск р1;
у камері редуктора під мембраною й до дроселя в штуцері 3 – редукований р2;
у надмембранному просторі – рат (атмосферний тиск).
Під час роботи редуктора високий тиск газу розповсюджується до кільцевого зазору між сідлом 7 та подушкою клапана 6, через який витікає у камеру редуктора.
Сутність регулювання тиску полягає у тому, що розмір зазору між сідлом та подушкою клапана і пов’язана з ним об’ємна швидкість витікання газу автоматично встановлюється на такому рівні, щоб у камері редуктора підтримувався постійний розрахунковий тиск.
Кільцевий зазор забезпечується взаємодією сил, одні з яких прагнуть збільшити його (відкрити клапан), а інші – зменшити (закрити клапан). Зусилля запірної пружини клапана 5 менше, ніж зусилля регулювальної пружини 2. Внаслідок цього загальною силою F1, під дією якої відкривається клапан 6, вважалась загальна дія обох пружин 2 та 5 і деяке зусилля жорсткості мембрани 9. Закривається клапан під дією сили F2, яка з’являється у результаті тиску газу в камері редуктора на поверхню мембрани 9. Крім того, у редукторі прямої дії відкрити клапан намагається й сила F3, що виникає внаслідок високого тиску газу на поверхню клапана, площа якої дорівнює площі поперечного перетину сідла.
Сила F2, що виконує роль зворотного зв’язку, залежить від зазору у клапанній парі. Цей зазор прийнято називати висотою підйому клапана h. Якщо при певному режимі роботи редуктора з якої-небудь причини виникне перепідйом клапана над сідлом, то у цьому випадку збільшується витрата газу через клапанну пару, а внаслідок останнього тиск у камері редуктора р2 та сила F2, під дією якої рухома система займе вихідне положення. При зменшенні висоти підйому клапана над сідлом відповідне зменшення сили F2 також поверне систему у вихідне положення. Таким чином, рухома система редуктора автоматично та стійко встановлюється в таке положення, що забезпечує стабільний робочий тиск газу в камері редуктора.
Редуктор зворотної дії складається з таких же елементів і діє так само, як і редуктор прямої дії. Принципова різниця полягає у тому, що клапанна пара 6-7 знаходиться у камері високого тиску р 1, а штовхач 4 клапана проходить у середину сідла. У цьому редукторі високий тиск газу р1 прагне закрити клапан під дією сили F3.
Рівняння рівноваги рухомої системи редукторів прямої та зворотної дії має наступний вигляд:
 . (4. 1)
Знак “плюс” відноситься до редуктора прямої, а знак “мінус” – до редуктора зворотної дії.
Силу F1 (Н) можна визначити через її початкове значення F0 при закритому клапані:
 , (4. 2)
де r – сумарна жорсткість усіх пружних елементів рухомої системи редуктора, Н/м.
Сила F2 (Н) дорівнює перетину різниці тисків, що діють на ефективну площу мембрани Sm (м2):
 , (4. 3)
 , (4. 4)
де D та d – відповідно діаметри вільної (незащемленої) частини мембрани та жорсткого центру, м.
Сила F3 (Н):
 , (4. 5)
де Sс – площа сідла клапана, м2.
Підставляючи в рівняння (4.1) вирази (4.2), (4.3), (4.5) та нехтуючи членом р2Sc, внаслідок його малої величини, отримуємо рівняння рівноваги рухомої системи у розгорнутому вигляді:
 . (4.6)
Максимальна витрата газу у редукторі з вільним перетином сідла забезпечується при висоті підйому клапана  , а у редукторі з штовхачем – при
 , (4.7)
де dT – діаметр штовхача.
При h=0 і абсолютно гладких поверхнях сідла та подушки клапана витрата газу повинна дорівнювати нулю. В реальному редукторі при h=0 газ проходить крізь шорсткі поверхні в клапанній парі. Якщо цей витік більше допустимої витрати газу, то для забезпечення останньої редуктор повинен працювати у режимі силової взаємодії в клапанній парі.
При цьому клапан повинен притискатися до сідла додатковою силою, що призведе до зменшення поверхні порожнин у зоні контакту, крізь які має місце витікання газу, головним чином, за рахунок пружної деформації матеріалу пружини.
Додаткове зусилля, що закриває клапан і виникає за рахунок деякого збільшення тиску в камері редуктора, визначає реакцію сідла Rc, розмір якої залежить від глибини пружного втискування (вдавлювання) сідла в подушку клапана h1 (висота підйому клапана зі знаком “мінус”).
При значенні сили, що вдавлює, та реакції сідла Rc=Rc(h1), яку звичайно знаходять експериментальним шляхом, клапанна пара герметизується. Це має місце внаслідок припинення відбору газу після редуктора та супроводжується деяким подальшим збільшенням тиску p2.
Такий режим роботи редуктора має місце в апаратах на стиснутому повітрі, а також в РДА без постійної подачі кисню, в яких легеневий автомат заповнюється від редуктора, коли клапан цього автомата закритий.
У режимі силової взаємодії в контактній парі рівняння рівноваги рухомої системи редуктора має вигляд:
 . (4.8)
Звідки редукований тиск:
 . (4.9)
Основним показником якості роботи редуктора як регулятора тиску є усталеність редукованого тиску p2 при зміні двох параметрів: тиску на вході p1 та масової витрати газу m. Функціональна залежність p2=p2(p1;m) має складний вигляд і називається статичною характеристикою редуктора.
Залежність змінювання редукованого тиску Dp2 від p1 можливо знайти, якщо прийняти m=0, тобто для безвитратного режиму. Для цього рівняння (4.9) спочатку записується для двох значень первинного тиску: p1max i p1min . Після цього віднімають з першого друге.
Враховуючи, що перші чотири члени в дужках мають однакові значення в обох випадках, вираз для змінювання редукованого тиску має вигляд:
 . (4.10)
Тобто змінювання пропорційно відношенню площини сідла клапана до ефективної площини мембрани. Знак ± вказує на те, що в редукторі прямої дії за мірою витрати газу з балона редукований тиск зменшується, а в редукторі зворотної дії – збільшується. Така ж залежність зберігається й для режиму з витратою газу, але в цьому випадку на неї впливає висота підйому клапана та змінювання множини r× h.
В існуючих редукторах прямої дії площина сідла клапана складає біля 0,05% ефективної площини мембрани, а в редукторах зворотної дії – біля 0,1%. Завдяки цьому забезпечується висока стійкість вторинного тиску.
Аналогічним чином знаходиться залежність тиску Dp2 від змінювання висоти підйому клапана h, тобто від витрати m в межах роботи редуктора без силової взаємодії в клапанній парі, при p1=Const. З виразу (4.6)
 . (4.11)
Якщо записати це рівняння для hmin та hmax та відняти з першого виразу другий , то отримаємо:
 . (4.11)
Тобто в редукторах обох типів зі збільшенням витрати газу редукований тиск зменшується пропорційно жорсткості пружних елементів обернено пропорційно ефективній площині мембрани.
В сучасних автономних ізолюючих апаратах зі стиснутою газо-повітряною сумішшю застосовують різноманітні типи редукційних клапанів.
Шпильковий редуктор прямої дії (див. рис. 4.1а) в свій час використовувався в апаратах РКР3, РКК1, РКК2, КІП5. Редуктор такого ж типу, але з розвантаженим клапаном (див. рис. 4.1а з деталлю 11) застосовується в РДА ВG174 та Тravox-120 фірми “Дрегерверн”.
Редуктор зворотної дії (див. рис. 4.1б) з металевим клапаном, який має форму конуса, та сідлом з фторопласту використано в РДА Р12, Р30, Р35, а також в апараті на стиснутому повітрі АСП-2М. Поршневий редуктор зворотної дії застосовується в конструкціях резервуарних апаратів АІР 317 (217) та апаратах на стиснутому повітрі фірми “Дрегерверк”.
Це викликано тим, що поршневий чутливий елемент (див. рис.4.2), який складається із поршня та гільзи є найбільш ефективним при використовуванні в газових редукторах, коли вихідний тиск має досить великі значення. Внаслідок цього, до речі, тиск Р 2 у камері редуктора АІР-317 (який дорівнює 0,7-0,5 МПа) значно більший, ніж у камері мембранного редуктора АСП-2М (Р2 = 0,45-0,5 МПа).
В саморятівнику “ОХІ – SR45” фірми “Дрегерверк” використано оригінальний редуктор зворотної дії з розвантаженим клапаном. Замість мембрани в якості чутливого елементу в ньому застосовується малогабаритний металевий сильфон.
Сильфонний чутливий елемент (див. рис. 4.3) відрізняється від мембранного тим, що має лінійну залежність деформації від навантаження, має більший хід, а його ефективна площина не залежить від тиску. Крім того, за допомогою сильфонних чутливих елементів найбільш простим способом можна забезпечити підтримання регулятором абсолютного тиску на виході шляхом створення герметичної вакуумної сильфонної коробки.
Внаслідок цього, в “ОХІ – SR45”, хоча його статична характеристика дещо гірша, ніж у згаданих вище, редуктор вписується в циліндр з діаметром 19 мм і є самою малогабаритною сучасною конструкцією газового редуктора, має такі тактико-технічні характеристики, що відповідають вимогам до автономних ізолюючих ЗІЗОД на стиснутій газоповітряній суміші.
|