CN111503390A - 一种压力平衡型波纹管膨胀节 - Google Patents

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Abstract

一种压力平衡型波纹管膨胀节，包括轴向型膨胀节主体和均匀排布在膨胀节主体外侧的n组平衡构件；轴向型膨胀节主体包括上法兰、下法兰和波纹管组件，平衡构件包括承压推动组件和两个滑动组件，承压推动组件对应轴向型膨胀节主体的中心位置设置，其包括一个具有平衡腔的平衡体、连通管和连接杆二，两个滑动组件沿连接杆二呈对称设置，本专利采用了一种新型平衡结构，取消了常规的平衡波，膨胀节外径可缩小40%以上，大幅减轻了膨胀节重量，节约了成本。一种新式直管压力平衡型膨胀节可补偿轴向位移，同时具备结构简单，安全可靠的特点。

Description

一种压力平衡型波纹管膨胀节
技术领域
本发明涉及膨胀节技术领域，具体说的是一种压力平衡型波纹管膨胀节。
背景技术
为避免非约束型波纹管膨胀节产生的压力推力作用于设备上，造成设备基座损坏，影响设备正常工作，通常选用直管压力平衡型波纹管膨胀节，用以约束压力推力。现有的直管压力波纹管平衡型膨胀节常规型式分外压和内压两种。外压型式的直管压力平衡型膨胀节（图9）由一组工作波纹管和一组平衡波纹管组成，主要用于吸收轴向位移并能够平衡波纹管的压力推力。内压型式的直管压力平衡型膨胀节（图10）由两个工作波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆、端板等结构件组成，主要用于吸收轴向并能够平衡波纹管的压力推力。
常规结构直管压力平衡型波纹管膨胀节为实现压力平衡，除需设置满足位移补偿需要的工作波外，还需另设一组平衡波用于平衡压力推力，同时增加相应的约束结构件，制造成本相对较高。对于内压型直管压力平衡型膨胀节而言，平衡波的外径要远大于工作波，因而造成膨胀节整体外径过大，设备重量较重。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种压力平衡型波纹管膨胀节，解决了常规直管压力平衡型波纹管膨胀节外径过大、重量较重、制造成本高的问题。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种压力平衡型波纹管膨胀节，包括轴向型膨胀节主体和均匀排布在膨胀节主体外侧的n组平衡构件；
所述的轴向型膨胀节主体包括上法兰、下法兰和波纹管组件，波纹管组件的两端分别连接上法兰和下法兰，波纹管组件由偶数节波纹管和连接相临波纹管的中间管串联组成；
所述的平衡构件包括承压推动组件和两个滑动组件，承压推动组件对应轴向型膨胀节主体的中心位置设置，其包括一个具有平衡腔的平衡体、连通管和连接杆二，平衡体的平衡腔一端通过连通管与轴向型膨胀节主体的内腔相连通，平衡体的另一端与连接杆二连接，平衡体根据受到的轴向型膨胀节主体内腔压力大小进行伸缩，改变平衡腔的大小，从而推动或回拉连接杆二沿轴向型膨胀节主体的径向方向移动；
所述的两个滑动组件沿连接杆二呈对称设置，每个滑动组件均由设置在上法兰或下法兰上的滑轨、连接杆一和滚动体组成，滑轨上开设有滑轨槽，滑轨槽沿上法兰或下法兰的径向方向设置且呈倾斜布置，滑轨槽与上法兰或下法兰的平面呈θ夹角，滚动体转动连接在连接杆一的一端，并与滑轨槽相配合滚动设置在滑轨槽内，连接杆一的另一端与连接杆二连接，两根连接杆一均与连接杆二呈β夹角；
轴向型膨胀节主体和平衡构件满足下列关系式:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Acp——平衡体的有效面积；
Acg——波纹管组件的有效面积。
平衡体为平衡波纹管，平衡波纹管的两端密封连接有封板一和封板二，连通管穿过封板二后与波纹管的平衡腔连通，封板一上连接有连接杆二。
平衡体由缸体和活塞组成，活塞的一端与连接杆二连接，活塞的另一端与缸体内壁之间围成平衡腔。
滚动体为滚轮或滚动轴承。
本发明有益效果是：本发明涉及的一种新式压力平衡型波纹管膨胀节，采用了一种新型平衡结构，取消了常规的平衡波，膨胀节外径可缩小40%以上，大幅减轻了膨胀节重量，节约了成本。一种新式直管压力平衡型膨胀节可补偿轴向位移，同时具备结构简单，安全可靠的特点。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图；
图2为图1的压缩位移补偿方式图；
图3为图1的拉伸位移补偿方式图；
图4为本发明的实施例2的结构示意图；
图5为本发明的实施例3的结构示意图；
图6为图5的压缩位移补偿方式图；
图7为图5的拉伸位移补偿方式图；
图8为本发明的实施例4的结构示意图；
图9 为常规外压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；
图10为常规内压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；
图中：1、上法兰，2、平衡构件，3、波纹管，4、中间管，5、下法兰，6、端管一，7、端管二，2-1、滑轨，2-1-1、滑轨槽，2-2、滚动体，2-3、销轴，2-4、连接杆一，2-5、连接杆二，2-6、平衡体，2-6-1、平衡波纹管，2-6-2、活塞，2-6-3、缸体，2-6-4、封板一，2-6-5、封板二，2-6-6、密封圈，2-7、连通管。
具体实施方式
一种压力平衡型波纹管膨胀节，包括轴向型膨胀节主体和均匀排布在膨胀节主体外侧的n组平衡构件2，n≥2。
所述的轴向型膨胀节主体包括上法兰1、下法兰5和波纹管组件，波纹管组件的两端分别连接上法兰1和下法兰5，上法兰1和下法兰5用于与两侧管系利用螺栓连接，波纹管组件由偶数节波纹管3和连接相临波纹管3的中间管4串联组成，波纹管组件这种连接形式，保证位于中部的部件一直为中间管，方便与平衡构件进行连通。
平衡构件2包括承压推动组件和两个滑动组件，承压推动组件对应轴向型膨胀节主体的中心位置设置，保证压力推动由膨胀节的中心推动，承压推动组件包括一个具有平衡腔的平衡体2-6、连通管2-7和连接杆二2-5，平衡体2-6的平衡腔一端通过连通管2-7与轴向型膨胀节主体的内腔相连通，平衡体2-6的另一端与连接杆二2-5连接，平衡体2-6根据受到的轴向型膨胀节主体内腔压力大小进行伸缩，改变平衡腔的大小，从而推动或回拉连接杆二2-5沿轴向型膨胀节主体的径向方向移动。
两个滑动组件沿连接杆二2-5呈对称设置，每个滑动组件均由设置在上法兰1或下法兰5上的滑轨2-1、连接杆一2-4和滚动体2-2组成，滑轨2-1上开设有滑轨槽2-1-1，滑轨槽2-1-1沿上法兰1或下法兰5的径向方向设置且呈倾斜布置，滑轨槽2-1-1与上法兰1或下法兰5的平面呈θ夹角，滚动体2-2转动连接在连接杆一2-4的一端，并与滑轨槽2-1-1相配合滚动设置在滑轨槽2-1-1内，连接杆一2-4的另一端与连接杆二2-5连接，两根连接杆一2-4均与连接杆二2-5呈β夹角；通过承压推动组件的推或拉，实现两个滑动组件共同运动，实现压力平衡。
轴向型膨胀节主体和平衡构件2满足下列关系式:
Figure 666058DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Acp——平衡体的有效面积；
Acg——波纹管组件的有效面积。
平衡体2-6为平衡波纹管2-6-1时，平衡波纹管2-6-1的两端密封连接有封板一2-6-4和封板二2-6-5，连通管2-7穿过封板二2-6-5后与平衡波纹管2-6-1的平衡腔连通，封板一2-6-4上连接有连接杆二2-5。
平衡体2-6由缸体2-6-3和活塞2-6-2组成时，活塞2-6-2的一端与连接杆二2-5连接，活塞2-6-2的另一端与缸体2-6-3内壁之间围成平衡腔。
滚动体2-2为滚轮或滚动轴承，保证滚动体2-2在滑轨槽2-1-1内的平稳滑动。
实施例1
一种压力平衡型波纹管膨胀节，包括：上法兰1、平衡构件2、波纹管3、中间管4、下法兰5。其中平衡构件2包括：滑轨2-1、滚轮、销轴2-3、连接杆一2-4、连接杆二2-5、活塞2-6-2、密封圈2-6-6、缸体2-6-3、连通管2-7。
波纹管组件与上法兰1和下法兰5焊接连接，波纹管组件的偶数个波纹管3和中间管4串联焊接，组成轴向型膨胀节主体，多个平衡构件2两端通过滑轨2-1分别与上法兰1、下法兰5连接，连通管2-7与中间管4连通。平衡构件2圆周均布在波纹管组件外侧。
平衡构件2组成及连接：平衡构件2沿连接杆二2-5呈对称结构。上端滑轨2-1与上法兰1下表面固定连接且沿径向布置，上端滑轨2-1开设有滑轨槽2-1-1，滑轨槽2-1-1呈倾斜布置且沿上法兰1径向，与上法兰1平面呈θ夹角。滚轮置于滑轨2-1的滑轨槽内，可沿滑轨槽自由滚动，滚轮通过销轴2-3与连接杆一2-4连接。下端滑轨2-1与下法兰5上表面固定连接且沿径向布置，下端滑轨2-1开设有滑轨槽，滑轨槽呈倾斜布置且沿上法兰1径向，与下法兰5平面呈θ夹角。滚轮置于滑轨2-1的滑轨槽内，可沿滑轨槽自由滚动，滚轮通过销轴2-3与连接杆一2-4连接。上、下两件连接杆一2-4与连接杆二2-5固定连接，连接杆一2-4与连接杆二2-5呈β夹角关系且为对称结构。连接杆二2-5与活塞2-6-2固定连接，活塞2-6-2横截面呈圆柱形，圆柱形外表面开设有密封圈槽，用于放置密封圈2-6-6。活塞2-6-2、密封圈2-6-6可在缸体2-6-3内滑动，且三者构成封闭空间，该封闭空间即为平衡腔。缸体2-6-3左侧端部开设通孔，中间管4外侧壁开设通孔。连通管2-7内部贯通，一端与缸体2-6-3通孔固定连接，一端与中间管4通孔固定连接。
平衡原理：工作状态下，膨胀节两端法兰与管系连接，膨胀节内部充满压力为p的介质，同时介质自中间管4侧壁通孔，经连通管2-7、缸体2-6-3通孔进入缸体2-6-3、密封圈2-6-6、活塞2-6-2构成的空腔内。如图1所示。为实现压力推力平衡，一种压力平衡型波纹管膨胀节结构须满足下列关系式:
Figure 583198DEST_PATH_IMAGE002
式中
A——活塞2-6-2横截面积；
Ac——波纹管的总有效面积Ac（详见GB/T 12777-2008标准）；
n——平衡构件2的数量；
β——连接杆二2-5与连接杆一2-4的夹角；
θ——滑轨槽2-1-1与上法兰1表面的夹角。
压力推力作用于上法兰1和下法兰5，上法兰1和下法兰5同时受到平衡构件2的作用力，且该作用力的合力与压力推力大小相等方向相反，从而实现压力推力平衡。无论膨胀节在原始位置，还是任何轴向变形位置，始终处于压力推力平衡状态。
位移补偿方式：
（1）发生轴向压缩位移：管系发生位移，压缩上法兰1、下法兰5向膨胀节中部移动，为满足变形协调条件，上法兰1和下法兰5将推动滚轮（滚动轴承）顺着滑轨2-1的滑轨槽沿径向向外滚动，由连接杆一2-4和连接杆二2-5构成的传力连杆将拉动活塞2-6-2沿径向向外移动。管系内和缸体2-6-3、密封圈2-6-6、活塞2-6-2构成的空腔内充满压力为p的介质。根据上述平衡原理，移动过程中和到达位移位置始终保持压力平衡状态。如图2所示。
（2）发生轴向拉伸位移：管系发生位移，拉伸上法兰1、下法兰5向膨胀节外部移动，出于变形协调条件，上法兰1和下法兰5将推动滚轮（滚动轴承）顺着滑轨2-1的滑轨槽沿径向向中心滚动，由连接杆一2-4和连接杆二2-5构成的传力连杆将拉动活塞2-6-2沿径向向中心移动。管系内和缸体2-6-3、密封圈2-6-6、活塞2-6-2构成的空腔内充满压力为p的介质。根据上述平衡原理，移动过程中和到达位移位置始终保持压力平衡状态。如图3所示。
实施例2
如图4所示，与实施例1的原理与结构大体相同，不同之处在于：将上法兰1替换为端管一6，下法兰替换为端管二7，替换的端管一与端管二也是起到与管系的连接作用，本质上没有改变。
实施例3
一种压力平衡型波纹管膨胀节，包括：上法兰1、平衡构件2、波纹管3、中间管4、下法兰5。其中平衡构件2包括：滑轨2-1、滚轮（或滚动轴承）、销轴2-3、连接杆一2-4、连接杆二2-5、封板一2-6-4、平衡波纹管2-6-1、封板二2-6-5、连通管2-7。
波纹管组件与上法兰1和下法兰5焊接连接，波纹管组件的偶数个波纹管3和中间管4串联焊接，组成轴向型膨胀节主体，多个平衡构件2两端通过滑轨2-1分别与上法兰1、下法兰5连接，连通管2-7与中间管4连接。平衡构件2圆周均布在波纹管组件外侧。
平衡构件2组成及连接：平衡构件2沿连接杆二2-5呈对称结构。上端滑轨2-1与上法兰1下表面固定连接且沿径向布置，上端的滑轨2-1开设有滑轨槽，滑轨槽呈倾斜布置且沿上法兰1径向布置，与上法兰平面呈θ夹角。滚轮（滚动轴承）置于滑轨2-1的滑轨槽内，可沿滑轨槽自由滚动，滚轮通过销轴2-3与连接杆一2-4连接。下端滑轨2-1与下法兰5上表面固定连接且沿径向布置，下端滑轨2-1开设有滑轨槽，滑轨槽呈倾斜布置且沿上法兰1径向，与下法兰5平面呈θ夹角。滚轮置于滑轨2-1的滑轨槽内，可沿滑轨槽自由滚动，滚轮通过销轴2-3与连接杆一2-4连接。上、下两件连接杆一2-4与连接杆二2-5固定连接，连接杆一2-4与连接杆二2-5呈β夹角关系且为对称结构。连接杆二2-5与封板一2-6-4固定连接，封板一2-6-4为实心结构，外侧与平衡波纹管2-6-1连接，中部与连接杆二2-5固定连接。平衡波纹管2-6-1另一端封板二2-6-5外侧连接。封板二2-6-5中心开设通孔，与连通管2-7连接，连通管2-7中心贯通，连通管2-7另一端与中间管4侧壁开设的通孔连接，形成介质流通通路，可将介质经中间管4侧壁通孔、连通管2-7、封板二2-6-5通孔进入平衡波纹管2-6-1内腔，平衡波纹管2-6-1内腔即为平衡腔。
平衡原理：工作状态下，膨胀节两端法兰与管系连接，膨胀节内部和平衡波纹管2-6-1内腔充满压力为p的介质。如图5所示。为实现压力推力平衡，一种波纹管膨胀节压力平衡结构须满足下列关系式:
Figure 362935DEST_PATH_IMAGE001
式中
Acp——平衡波纹管2-6-1有效面积（详见GB/T 12777-2008标准）；
Acg——波纹管有效总面积（详见GB/T 12777-2008标准）；
n——平衡构件2数量；
β——连接杆二2-5与连接杆一2-4的夹角；
θ——滑轨槽2-1-1与上法兰1表面的夹角。
压力推力作用于上法兰1和下法兰5，上法兰1和下法兰5同时受到平衡构件2的作用力，且该作用力的合力与压力推力大小相等方向相反，从而实现压力推力平衡。无论膨胀节在原始位置，还是任何轴向变形位置，始终处于压力推力平衡状态。
位移补偿方式：
（1）发生轴向压缩位移：管系发生位移，压缩上法兰1、下法兰5向膨胀节中部移动，为满足变形协调条件，上法兰1和下法兰5将推动滚轮（滚动轴承）顺着滑轨2-1的滑轨槽沿径向向外滚动，由连接杆一2-4和连接杆二2-5构成的传力连杆将拉动封板一2-6-4沿径向向外移动，平衡波纹管2-6-1发生拉伸变形。根据上述平衡原理，移动过程中和到达位移位置始终保持压力平衡状态。如图6所示。
（2）发生轴向拉伸位移：管系发生位移，拉伸上法兰1、下法兰5向膨胀节外部移动，出于变形协调条件，上法兰1和下法兰5将推动滚轮（滚动轴承）顺着滑轨2-1的滑轨槽沿径向向中心滚动，由连接杆一2-4和连接杆二2-5构成的传力连杆将拉动封板一2-6-4沿径向向中心移动，平衡波纹管2-6-1发生压缩变形。根据上述平衡原理，移动过程中和到达位移位置始终保持压力平衡状态。如图7所示。
实施例4
如图8所示，与实施例3的原理与结构大体相同，不同之处在于：将上法兰1替换为端管一6，下法兰替换为端管二7，替换的端管一与端管二也是起到与管系的连接作用，本质上没有改变。

Claims (4)

1.一种压力平衡型波纹管膨胀节，其特征在于：包括轴向型膨胀节主体和均匀排布在膨胀节主体外侧的n组平衡构件（2）；
所述的轴向型膨胀节主体包括上法兰（1）、下法兰（5）和波纹管组件，波纹管组件的两端分别连接上法兰（1）和下法兰（5），波纹管组件由偶数节波纹管（3）和连接相临波纹管（3）的中间管（4）串联组成；
所述的平衡构件（2）包括承压推动组件和两个滑动组件，承压推动组件对应轴向型膨胀节主体的中心位置设置，其包括一个具有平衡腔的平衡体（2-6）、连通管（2-7）和连接杆二（2-5），平衡体（2-6）的平衡腔一端通过连通管（2-7）与轴向型膨胀节主体的内腔相连通，平衡体（2-6）的另一端与连接杆二（2-5）连接，平衡体（2-6）根据受到的轴向型膨胀节主体内腔压力大小进行伸缩，改变平衡腔的大小，从而推动或回拉连接杆二（2-5）沿轴向型膨胀节主体的径向方向移动；
所述的两个滑动组件沿连接杆二（2-5）呈对称设置，每个滑动组件均由设置在上法兰（1）或下法兰（5）上的滑轨（2-1）、连接杆一（2-4）和滚动体（2-2）组成，滑轨（2-1）上开设有滑轨槽（2-1-1），滑轨槽（2-1-1）沿上法兰（1）或下法兰（5）的径向方向设置且呈倾斜布置，滑轨槽（2-1-1）与上法兰（1）或下法兰（5）的平面呈θ夹角，滚动体（2-2）转动连接在连接杆一（2-4）的一端，并与滑轨槽（2-1-1）相配合滚动设置在滑轨槽（2-1-1）内，连接杆一（2-4）的另一端与连接杆二（2-5）连接，两根连接杆一（2-4）均与连接杆二（2-5）呈β夹角；
轴向型膨胀节主体和平衡构件（2）满足下列关系式:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Acp——平衡体的有效面积；
Acg——波纹管组件的有效面积。
2.如权利要求1所述的一种压力平衡型波纹管膨胀节，其特征在于：平衡体（2-6）为平衡波纹管（2-6-1），平衡波纹管（2-6-1）的两端密封连接有封板一（2-6-4）和封板二（2-6-5），连通管（2-7）穿过封板二（2-6-5）后与平衡波纹管（2-6-1）的平衡腔连通，封板一（2-6-4）上连接有连接杆二（2-5）。
3.如权利要求1所述的一种压力平衡型波纹管膨胀节，其特征在于：平衡体（2-6）由缸体（2-6-3）和活塞（2-6-2）组成，活塞（2-6-2）的一端与连接杆二（2-5）连接，活塞（2-6-2）的另一端与缸体（2-6-3）内壁之间围成平衡腔。
4.如权利要求1所述的一种压力平衡型波纹管膨胀节，其特征在于：滚动体（2-2）为滚轮或滚动轴承。
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