Расчёт регулирующих клапанов

Силовой расчёт регулирующих клапанов

Регулирующие клапаны имеют два основных элемента: дрос­селирующее устройство в виде седла и плунжера и привод, слу­жащий для перемещения плунжера. В некоторых случаях плунжер
перекрывает седло не непосредственно, а с помощью мембраны (мембранные или «диафрагмовые» клапаны) или шланга (шланговые клапаны). Если плунжер разгружен от усилий, создаваемых гидравлическим давлением среды, то силовая характеристика регулирующего клапана цели­ком определяется приводом. Если плунжер частично или пол­ностью не разгружен и воспринимает давление среды, то он ча­стично или полностью принимает на себя функции привода, и силовая характеристика регулирующего клапана определяется результатами совместного действия сил на плунжере и при­воде.

 

Клапаны с приводом

 

Регулирующие клапаны могут управляться с помощью электро­моторного исполнительного механизма либо пневматического или гидравлического (мембранного или поршневого) привода. Электро­моторный привод осуществляет двустороннее движение шпин­деля и не требует применения грузов или пружин. Мембрана и поршень обычно используются в регулирующей арматуре как источник одностороннего движения, для возврата требуется обеспечить силовое замыкание, что осуществляется грузом, пру­жиной или мембранным устройством с противодавлением. В ка­честве источника энергии для привода можно использовать либо давление сжатого воздуха специальной системы управления (регулирующие клапаны), либо давление рабочей среды, транс­портируемой по трубопроводу (регуляторы прямого действия).

Задача привода регулирующего клапана заключается в том, чтобы создать определенную зависимость

h = f (P),

где h — ход плунжера в мм.

Р — давление на приводе в кГ/см2.

Зависимость между давлением в трубопроводе и давлением на приводе обеспечивается в регуляторах непрямого действия соответствующей системой преобразования; в регуляторах пря­мого действия давление на приводе равно отрегулированному давлению в трубопроводе.

В регулирующем клапане в процессе регулирования все время обеспечивается равновесие между усилием привода (включая и усилие неуравновешенного плунжера) и усилием нагрузки, созданным грузом или пружиной.

Силовой расчет регулирующего клапана с мембранным приво­дом сводится к определению основных размеров мембранно­пружинного привода и к выявлению нечувствительности клапана.

Давление воздуха над мембраной в процессе работы клапача изменяется от Р1 в начале хода до Р₂ в конце хода. Каждой вели­чине давления между Р1 и Р2 должно соответствовать определен­ное положение плунжера. При проектировании следует обеспе­чить с наибольшей точностью пропорциональную зависимость между приращением давления среды, действующей на мембрану, и приращением хода плунжера (т. е. приращением хода мембраны).

Характер регулирования режима движения среды по трубо­проводу определяется характеристикой плунжера. Иногда в це­лях корректировки или изменения характера регулирования между мембраной и клапаном устанавливают преобразующий механизм.

Для расчета привода должны быть подготовлены данные о зна­чениях P1 и Р₂ величинах хода плунжера и перестановочного усилия Q. Давление Р1 представляет собой давление трогания с места и в существующих конструкциях принимается равным 0,2 кГ/см². Давление Р₂ принимается равным 1,0 кГ/см².

Таким образом, Р₂ — Р1 = АР_д = 0,8 кГ/см².

Величина АР_д представляет собой диапазон измене­ния командного давления на приводе и равна изме­нению давления на мембране, необходимому для перестановки плунжера из одного крайнего положения в другое.

При выборе привода желательно использовать мембрану наи­меньшего диаметра, что обеспечивает возможность применения пружины с наименьшим усилием. Однако применение такой мем­браны вызывает увеличение неравномерности движения плунжера в связи с большим влиянием изменения эффективной площади мембраны на усилие, передаваемое тарелкой, и увеличение зоны нечувствительности регулятора при тех же силах трения.

Необходимое перестановочное усилие определяется в зависи­мости от схемы работы регулирующего клапана: «нормально от­крыт» — схема НО или «нормально закрыт» — схема НЗ.

Для регулирующих клапанов, работающих по схеме НО, наибольшее необходимое перестановочное усилие привода (в конце хода без учета жесткости пружины) будет равно Q₆ = APf-G+T   кГ,

где АР — перепад давлений на плунжере, т. е. разность давлений до и после плунжера при закрытом его положении, в кГ/см² 

f — неуравновешенная площадь давления среды на плун­жер в см²;

G — вес деталей, соединенных со шпинделем и плунжером (грибок и др.), в кГ;

Т — сила трения в сальнике в кГ.

Регулирующий клапан не должен выполнять функции затвора, запорного органа, поэтому нет необходимости на уплотняющих кольцах создавать значительные удельные давления, обеспечи­вающие плотность клапана.

Для двухседельного клапана

f = 0,785 (D1 — D2)  cm2,

где D₁ — средний диаметр уплотняющего кольца большего седла (верхнее) в см;

D₂ — средний диаметр уплотняющего кольца меньшего седла (нижнее) в см.

Наименьшее необходимое перестановочное усилие привода (в начале хода) без учета жесткости пружины равно

Qm = Т — G  кГ.

Нечувствительность регулирующего клапана определяется раз­ностью усилий, необходимых для перемены направления движе­ния плунжера на обратное при одном и том же его положении. Нечувствительность создается силами трения в сальнике, в на­правляющих плунжера и внутренним трением в материале мем­браны.

Наибольшая сила трения создается в сальнике, который в регу­лирующих клапанах с целью уменьшения трения конструируется таким образом, чтобы шток, проходящий через набивку, имел ми­нимальный диаметр и был бы обеспечен смазкой.

 

Степень нечувствительности регулирующих клапанов с типовыми сальниками, а также мембранных шланговых клапанов не должна превышать 5%, а клапанов с фторопластовыми сальниками или с сильфонами — 3%.

Привод должен, как правило, обеспечивать пропорциональ­ную зависимость между ходом и давлением над мембраной; однако в результате искажений характеристики пружины и характери­стики мембраны, а также вследствие влияния неуравновешенности плунжера и действия других факторов линейная зависимость ход — давление искажается.

Отклонение фактической характеристики «ход плунжера — давление на мембране от линейной зависимости» носит название нелинейности. Степень нелинейности е_Л определяется отношением максимальной разности между фактическим ходом плунжера и теоретическим, соответствующим давлению на мембране, к полному ходу плунжера.

В серийных регулирующих клапанах степень нелинейности не должна превышать 5%.

В регулирующих клапанах с мембранным приводом и пружин­ной нагрузкой, снабженных позиционным реле, командное давле­ние подается в позиционер, а на мембрану через позиционер по­дается управляющее давление, которое дросселируется в позицио­нере и подается на мембрану в отрегулированном виде. Оно увеличивается до тех пор, пока плунжер не станет в требуемое по­ложение, соответствующее величине командного давления. Исход­ное управляющее давление, подводимое в позиционер, равно 2 кг/см.

При наличии позиционера степень нечувствительности кла­пана не должна превышать 0,5%, а степень нелинейности — не более 0,5%.

 

Влия­ние конструкции плунжера на работу клапана

 

Исследования работы регулирующих клапанов выявили влия­ние конструкции плунжера на работу клапана. Так, в двухседель­ных клапанах со стержневым плунжером, несмотря на статическую уравновешенность конструкции, при больших перепадах давле­ний плунжер в результате динамических воздействий среды испытывает значительные осевые усилия, что в конечном итоге искажает рабочую характеристику клапана. С целью повыше­ния степени уравновешенности и улучшения технологичности конструкции применяются регулирующие клапаны с полым плун­жером, на которых при работе хотя и возникает крутящий момент, но он сравнительно мало сказывается на работе регулятора. Вместе с тем следует иметь в виду, что стержневой плунжер более пригоден для работы на вязких и загрязненных средах.