3.2. Плунжерные исполнительные устройства

3.2.1 Плунжерные исполнительные устройства

Исполнительные устройства с плунжерным затвором образуют группу, в принципе удовлетворяющую наиболее часто встреча­ющимся условиям эксплуатации. Из этих ИУ могут быть выб­раны устройства для больших, средних и малых расходов, рас­считанные на давление до 16 МПа и широкий диапазон тем­ператур.

Односедельные исполнительные устройства.

Односедельные регулирующие органы пневматических исполни­тельных устройств ПОУ-7—ПОУ-12 рисунок 3.3 объединяют практически все варианты исполнений: с угловой и проходной конструкцией корпуса; с муфтовым и фланцевым присоедине­нием к трубопроводу, с обычной верхней крышкой 6, рассчи­танной на температуры от минус 40 до плюс 225 °С рисунок 3.3(а) и с оребренной крышкой для температур от плюс 225 до плюс 450 °С рисунок 3.3(б). Основные, элементы односедельного РО: корпус 1, верхняя крышка 6, в которой устанавливается направляющая втулка 3 с находящимися в ней седлом 2, пробочным затвором 4 и што­ком 7, нижняя крышка 10 для проходных конструкций. Спирально-навитая прокладка 5 обеспечивает эффективное уплот­нение по двум посадочным поверхностям корпуса: внешней (с верхней крышкой) и внутренней (с седлом). Сальниковое уплотнение состоит из колец 9 — фторопластовых, поджатых пружиной 8, для нормальной температуры рисунок 3.3(б).

Размещение седла и затвора в одной направляющей дает хорошее центрирование затвора в сопряженных с ним дета­лях—сальнике, направляющей втулке и седле. Благодаря этому достигается высокая надежность работы сальника и незначи­тельная негерметичность. Отсутствие резьбы в регулирующем органе такой конструкции делает его удобным в эксплуатации и при ремонте.

Рисунок 3.3 - Односедельные исполнительные устройства ПОУ-7—ПОУ-12 с угло­вой (а) и проходной (б) конструкцией корпуса, муфтовым (а) и фланцевым (б) присоединением к трубопроводу.

1—корпус, 2—седло, 3 — направляющая втулка, 4— затвор; 5 — прокладка, б—верх­няя крышка, 7 — шток. 8 — пружина, 9 — кольца; 10—нижняя крышка

Вследствие малой величины уплотняющей поверхности односедельные РО дают хорошую плотность соединения зат­вор — седло: не герметичность закрытия не превышает 0,05процента К_оу. Отсутствие застойных зон в корпусе позволяет применять эти регулирующие органы на вязких средах. Врезка в уплот­няющий поясок затвора фторопластовой прокладки придает односедельному РО запорно - регулирующие свойства.

На рисунке 3.3 односедельные регулирующие органы показаны в состоянии, когда затвор находится в закрытом положении. Это соответствует величине командного сигнала либо полной, либо равной нулю. Первая ситуация имеет место при «нормально-открытом» (НО) исполнении исполнительного устройст­ва, вторая —при «нормально-закрытом» исполнении (НЗ). Из­менение вида действия получено за счет некоторых изменений в конструкции исполнительного механизма. В исполнении НО минимальной нагрузке на шток соответствует минимальный пе­репад давлений на исполнительном устройстве, в исполнении НЗ - максимальный. Это означает, что оба исполнения отли­чаются не только по способу воздействия на поток при отсут­ствии сигнала в исполнительном механизме, но и силовыми характеристиками. При этом большую роль играет направление подачи среды в корпус регулирующего органа. При подаче среды «под затвор», т. е. против движущегося к седлу затвора, от вида действия зависит величина перепада давлений, при которой не герметичность затворной пары не превышает допу­стимой по техническим условиям. При подаче «под затвор» и нормально открытом исполнении для достижения максимально возможного перепада целесообразно применять ИУ в комплек­те с позиционером. При подаче потока «на затвор» вид дей­ствия ИУ и наличие позиционера не влияют на величину до­пустимого перепада, так как перекрытие прохода происходит при содействии потока.

Двухседельные исполнительные устройства.

Двухседельное ИУ — наиболее широко распространенный в оте­чественной промышленности тип. Несмотря на довольно сложную конструкцию, значительную металлоемкость и большие габариты, двухседельные ИУ нашли повсеместное применение благодаря своей высокой пропускной способности, малой энергоемкости, достаточно высокой надежности. Пропу­скная способность двухседельной конструкции примерно в 1,3 ра­за выше пропускной способности односедельного ИУ, имеющего тот же диаметр условного прохода. Вследствие уравновешиваю­щего действия разветвляющегося под углом 180° потока затвор двухседельного регулирующего органа испытывает значительно меньшее неуравновешенное усилие и соответственно требует меньших перестановочных усилий исполнительного механизма.

На рисунке 3.4 приведено двухседельное ИУ, рассчитанное на температуру до 450 °С. В корпус 1 ввинчиваются два седла: верхнее 2 и нижнее 3. Внутренний диаметр верхнего седла обыч­но на 2 мм больше внутреннего диаметра нижнего седла. За­твор 4 пробочного типа движется в двух направляющих втулках. Нижняя втулка 5 устанавливается в нижней крышке 6, Верхняя направляющая втулка 7 устанавливается в удлиненной оребренной верхней крышке 8, имеющей сварную конструкцию. Шток 9 охвачен асбографитовым сальником 10. С помощью лубрикатора 11 в сальник периодически подается смазка.

Р исунок 3.4 - Двухседельное ИУ:

1-корпус; 2,3-седла; 4-затор; 5, 7-направляющие втулки, 6 - нижняя крышка, 8- верхняя крышка, 9 - шток. 10 - сальник, II - лубрикатор.

Затвор имеет две уплотнительные и две регулирующие по­верхности. Профили регулирующих поверхностей верхней и нижней пробок затвора различаются. При одинаковых профи­лях не была бы обеспечена одинаковая пропускная способность расходящихся каналов, поскольку имеется технологическая разность диаметров уплотнительных поверхностей. Кроме того, и условия обтекания верхней и нижней пробок потоком раз­личны. При подаче потока в направлении стрелки верхняя пробка образует с седлом плавное сужение, а нижняя - плавное расширение. Распределение гидродинамических усилий по про­филям пробок существенно различно.

Проточная часть корпуса состоит из последовательно сопряженных мест­ных сопротивлений: диффузора, конфузора, внезапного сужения, внезапного расширения, колена. Высокая пропускная способность двухседельного РО достигается тщательной обработкой внутренней конфигурации корпуса, обес­печивающей плавность переходов от сечения к сечению, плавность нарастания скорости от входного патрубка к выходному, отсутствие мертвых зон. На участке подвода среды к седлам основным фактором, влияющим па пропуск­ную способность РО, является глубина кармана межседельной камеры от правой кромки седла до внутренней стенки камеры. Поток среды дви­жется прямолинейно и ударяется в стенку камеры, затем возвращается и проходит в отверстия седел. Чем боль­ше глубина кармана, тем больше ось проходящего через седла потока сдвину­та к правой кромке седел (проходное сечение седла полностью не заполняется). Когда кармана нет, стенка камеры находится на расстоянии, равном половине диаметра седла, и ось потока почти совпадает с осью седел. Пропускная способность корпуса в этом случае повышается на 25 - 30 процентов.

Пропускная способность двухседельного РО может быть увеличена еще одним простым способом — изменением направ­ления подачи среды. При традиционной (прямой) подаче поток закручивается в межседельной камере, а в выходном патрубке при слиянии потоков образуется вихрь. При обратной подаче на выходе из межседельной камеры вихрь незначителен, потери энергии меньше, и при соответствующих профилях пробок за­твора может быть получена пропускная способность, в 1,6 раза превышающая стандартную для данного типоразмера. В существующих схемах, если исполнительное устройство ограничивает расход среды, положение может быть исправлено поворотом его кор­пуса на 180°.

Обогрев осуществляется с помощью перегретого водяного пара, подаваемого внутрь кожуха, присоединенного к корпусу регулирующего органа.

Двухседельное ИУ требует большого внимания при эксплуа­тации. В среднем каждые 3 - 4 месяца необходимо заново при­тирать уплотнительные поверхности затвора и седел, каждые шесть месяцев – обновлять профильные поверхности. Среднее время восстановления изделия, не считая времени демонтажа и монтажа, - пять часов; срок службы – не менее шести лет

Клеточные исполнительные устройства

Клеточные исполнительные устройства рисунок 3.5 являются усовершенствованным видом плунжерных устройств. В них устранены основные недостатки односедельной конструкции (неуравновешенность затвора) и двухседельной конструкции (не герметичность затвора). Цилиндрический полый затвор 2 пе­ремещается в клетке—направляющей 3, имеющей поперечные сверления. Продольные сверления в верхнем торце затвора спо­собствуют уравновешиванию давлений над затвором и под ним. Длинная направляющая препятствует вибрации. Направляющая 3 одновременно служит и седлом затвора, причем в данной конструкции затворная пара имеет не одну, а две уплотнительные поверхности; это позволяет снизить не герметичность до 0,5процента. В корпусе 1 отсутствуют резьбовые соединения. До­пуски на размеры сопрягаемых деталей компенсируются с по­мощью спирально-навитых прокладок 4. Такая прокладка состоит из металлического спирального каркаса и неметалличе­ского наполнителя (паронита, асбеста или асбобумаги). Про­кладка обладает высокой упругостью и допускает многократное использование. Уплотнительный эффект достигается допол­нительной установкой паронитовых прокладок. Разгруженный затвор клеточного ИУ позволяет при одина­ковой мощности исполнительных механизмов применять его при значительно более высоких перепадах давления, чем допустимо для двухседельного ИУ того же типоразмера (до 5 МПа). Клеточная конструкция служит основой ветви исполнитель­ных устройств, обладающих дополнительными свойствами - от­сутствием или уменьшением разрушающего действия кавитации в регулирующем органе при прохождении потока жидкости и снижением уровня шума при регулировании сжимаемых сред.

Рисунок. 3.5 - Клеточное исполнительное устройство ПОУ-32:

1- корпус; 2 — направляющая; 3 — затвор; 4 — прокладка.

Трехходовые исполнительные устройства.

Во многих технологических схемах предусматривается смешений или разделение потоков, такие потоки целесообразно регулировать с помощью специально предназначенных для этого сме­сительных и разделительных исполнительных устройств. Корпус смесительного регулирующего органа аналогичен проходному корпусу односедельного, но вместо нижней крышки в нем установлен дополнительный патрубок с закреп­ленным вторым седлом.

Корпус разделительного регулирующего органа аналогичен корпусу двухседельного, но в нем имеется дополни­тельная перегородка, отделяющая разделенные затвором по­токи.

Серийно выпускаемое трехходовое смесительное ИУ рассчи­тано на условное давление 0,6 МПа. Максимальное условное давление равно 1,6 МПа. Невысокие перепады давлений позволяют применить облегченный затвор юбочного типа, который состоит из штока, соеди­ненного с двумя полыми цилиндрами, имеющими прорези (окна).

Исполнительные устройства для микрорасходов.

ИУ для микрорасходов применяются не в промышленных, а в экспериментальных установках, моделирующих промышленные условия в меньшем масштабе, при малых расходах пото­ков жидкостей и газов. На таких установках, характеризую­щихся высоким уровнем автоматизации, оснащенных надеж­ными средствами контроля и управления, технологические процессы изучаются в широком диапазоне изменения технологи­ческих параметров. Малые размеры установок позволяют значительно ускорить проведение экспериментов. ИУ для мик­рорасходов применяются в основном на двух видах эксперимен­тальных установок: пилотных и микропилотных. Для пилотных установок характерны расходы жидкостей 1—100 л/ч, газов— 0,5—0,25 мУч. Пилотные установки работают на различных ви­дах сырья, для них характерны частые остановки, изменения технологических схем, изменения режимов.

Микропилотные установки характеризуются еще большей миниатюрностью, более высоким уровнем автоматизации и на­дежности. Расход жидкости составляет от 0,5 до 50 л/ч, расход газов — от 1 до 100 л/ч. Исполнительное устройство, предна­значенное для регулирования таких расходов, должно иметь очень тонкую регулировку и по пропускной способности, и по величине хода. По уровню изготовления такое устройство соот­ветствует высокоточным приборам. Для исполнительного устрой­ства ПОУ-13 рисунок 3.6 характерны большой диапазон про­пускной способности и возможность работы со стандартным исполнительным механизмом. В корпус 3 угловой формы поме­щено седло 6. Затвор 5, перемещаемый в сальнике 4, соединен с буксой 2. Букса шарнирно соединена с тягой 1. С помощью рычага движение штока исполнительного механизма (ход 6 мм) через упирающийся в сухарь 9 стержень 10 преобразуется в движение штока регулирующего органа (условный ход затво­ра — от 0,4 до 4 мм). Мембранный исполнительный механизм опирается на кронштейн 7, к которому прикреплен и регулирую­щий орган. Величину условного хода настраивают перемещением сухаря по шкале 8. Путем перестановки сухаря 9 можно изме­нить вид действия. Широкий диапазон условной пропускной спо­собности регулирующего органа обеспечивается тремя парами затвор — седло, первая из которых дает значения Kv, от 0,1 до 0,01 мУч, вторая — от 0,01 до 0,0002 мУч, а третья — от 0,001 до 0,00007 мУч. Условный проход регулирующего органа равен 3 мм, условное давление — 32 МПа, допустимый перепад дав­ления также равен 32 МПа. Температура среды — от минус 40 до плюс 200 °С, пропускная характеристика — линейная.

Рисунок 3.6 - Исполнительное устройство для микрорасходов

1—тяга, 2—букса, 3 - корпус 4 — сальник, 5 — затвор, 6—седло, 7—кронштейн, 8 - шкала, 9 — сухарь, 10 — стержень.