RU104662U1

RU104662U1 - UNLOADED BELLOW COMPENSATOR

Info

Publication number: RU104662U1
Application number: RU2010131400/06U
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Скрипниченко
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Энергомаш (Белгород)-БЗЭМ"
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-05-20

Abstract

Разгруженный сильфонный компенсатор, состоящий из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, отличающийся тем, что внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей. An unloaded bellows expansion joint, consisting of three coaxial bellows, two identical side and middle ones with an effective area equal to the sum of the effective areas of the side bellows, respectively equipped with flanges, characterized in that the outer flanges of the side bellows are paired with the opposite flanges of the middle bellows by means of connecting pipes (pipes ) with two or more cutouts of its parts.

Description

Полезная модель относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использована во всех отраслях техники для обеспечения эффективной защиты технологических трубопроводов, газопроводов, паропроводов, воздуховодов от статистических и динамических нагрузок, возникающих при температурных деформациях, вибрациях, присоединяемых к амортизируемым механизмам в качестве виброизолирующего элемента.The utility model relates to the field of compensating devices and protective depreciation of mechanical engineering and can be used in all branches of technology to provide effective protection of process pipelines, gas pipelines, steam pipelines, ducts from statistical and dynamic loads arising from thermal deformations, vibrations attached to shock-absorbing mechanisms as vibration isolating element.

Известно, что при создании современных энергетических установок с высокими параметрами рабочей среды возникает необходимость создания средств защитной амортизации, одним из элементов которой является сильфонный компенсатор. Сильфонный компенсатор в своем конструктивном исполнении должен содержать элементы, которые компенсируют деформации, возникающие от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, воспринимают знакопеременные статические и динамические деформации (осевое сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), уменьшают уровень вибрации, передающихся по трубопроводу, а также защищают от эрозионного износа внутренние слои многослойного сильфона и уменьшают гидравлическое сопротивление компенсатора. Снижение нагрузок на фланцы наиболее актуально в конструкции компенсаторов, установленных в паропроводах атомных электрических станциях (АЭС), где при резких изменениях давления рабочей среды, в момент аварийного пуска и остановки паротурбинной установки, возможна разгерметизация фланцевых соединений и, как следствие, авария в паропроводной системе. В разработанных и поставляемых промышленностью конструкциях сильфонных компенсаторов допустимые нагрузки (напряжения) во фланцах обеспечиваются путем увеличения их толщин. Однако создание сильфонных компенсаторов на более высокие параметры рабочих сред и условные проходы (Ду>450) путем дальнейшего увеличения толщины фланцев становится технически и экономически нецелесообразным из-за значительного увеличения весогабаритных характеристик и стоимости конструкций, а также в ряде случаев невозможного их изготовления промышленностью.It is known that when creating modern power plants with high parameters of the working environment, it becomes necessary to create protective depreciation means, one of the elements of which is a bellows compensator. The bellows compensator in its design must contain elements that compensate for deformations arising from thermal expansion of pipelines, installation errors, perceive alternating static and dynamic deformations (axial compression-tension, shear and bending), reduce the level of vibration transmitted through the pipeline, and also protect the inner layers of the multilayer bellows from erosion wear and reduce the hydraulic resistance of the compensator. Reducing the loads on the flanges is most relevant in the design of expansion joints installed in the steam pipelines of nuclear power plants (NPPs), where, with sudden changes in the pressure of the working medium, at the time of emergency start-up and shutdown of the steam turbine installation, depressurization of flange joints is possible and, as a result, an accident in the steam supply system . In designs developed and delivered by industry for bellows expansion joints, the permissible loads (stresses) in the flanges are ensured by increasing their thickness. However, the creation of bellows expansion joints for higher working fluid parameters and conditional passages (DN> 450) by further increasing the thickness of the flanges becomes technically and economically impractical due to a significant increase in weight and size characteristics and cost of structures, as well as in some cases impossible for their manufacture by industry.

Известна конструкция разгруженного сильфонного компенсатора, выполненная в виде сильфонов, концентрически расположенных внутри третьего, соединительных переходных патрубков, плавающей гильзы, помещенной внутри сильфонов меньшего диаметра, внутренних и наружных фланцев и разгрузочных тяг, установленных по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющих внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, имеющими на концах сферические шайбы. (SU, А.с. №156390, МПК F16L 51/03, опубликовано в «Бюллетене изобретений и товарных знаков» №15 за 1963 г.). В известной конструкции описано устройство сильфонного компенсатора, предназначенного для восприятия деформаций, возникающих от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, а также для снижения вибрационных и динамических нагрузок, передающихся от амортизированных энергетических установок.A known design of an unloaded bellows compensator made in the form of bellows concentrically located inside the third connecting adapter pipe, a floating sleeve placed inside smaller bellows, inner and outer flanges and discharge rods installed along the generatrix on the outside of the bellows and pairwise connecting the outer flanges with opposite inner flanges having spherical washers at the ends. (SU, A.S. No. 156390, IPC F16L 51/03, published in the Bulletin of Inventions and Trademarks No. 15 of 1963). In a known design, a device for a bellows compensator is described, which is designed to perceive deformations arising from thermal expansion of pipelines, installation errors, and also to reduce vibration and dynamic loads transmitted from shock-absorbed power plants.

Существенным недостатком этой конструкции сильфонного компенсатора является то, что конструктивное расположение разгрузочных тяг по образующей с наружной стороны сильфонов значительно увеличивают вес и габариты компенсатора, а также величины изгибающих моментов, передаваемых на фланцы при воздействии внутреннего давления рабочей среды.A significant drawback of this design of the bellows expansion joint is that the structural arrangement of the unloading rods along the generatrix on the outside of the bellows significantly increase the weight and dimensions of the expansion joint, as well as the magnitude of the bending moments transmitted to the flanges when exposed to internal pressure of the working medium.

Наиболее близким техническим решением является конструкция разгруженного компенсатора, принятого в качестве прототипа, состоящая из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов и изолирующих элементов, снабженных соответственно фланцами. Разгрузочные тяги установлены по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона и попарно соединяют внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами.The closest technical solution is the design of the unloaded compensator, adopted as a prototype, consisting of three coaxial bellows, two identical side and middle ones with an effective area equal to the sum of the effective areas of the side bellows and insulating elements equipped with flanges, respectively. Unloading rods are installed along the generatrix on the outside of the side bellows and inside the middle bellows and pair the outer flanges in pairs with opposite inner flanges.

Разгрузочные тяги компенсатора располагаются внутри полости среднего сильфона, что позволяет, за счет уменьшения плеча (диаметра расположения тяг) уменьшить нагрузку (величину изгибающего момента) на фланцы компенсатора, а так же уменьшить габарит (наружный диаметр) и массу изделия. Разгрузочные тяги компенсатора расположенные внутри полости среднего сильфона, изолированы от рабочей среды гибкими элементами, сильфонами или шлангами, соединенными с внутренними фланцами. Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозионного износа сильфонов внутри компенсатора установлены консольные направляющие патрубки (RU, патент №2084749, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 14.11.1995 г., опубл. 20.07.1997 г.).The compensator unloading rods are located inside the middle bellows cavity, which allows, by reducing the shoulder (rod diameter), to reduce the load (bending moment) on the compensator flanges, as well as to reduce the size (outer diameter) and weight of the product. Compensator discharge rods located inside the middle bellows cavity are isolated from the working medium by flexible elements, bellows or hoses connected to the inner flanges. To reduce the hydraulic resistance and erosive wear of the bellows, cantilever guide tubes are installed inside the compensator (RU, patent No. 2084749, IPC F16L 51/03, F16J 3/04, dated November 14, 1995, publ. July 20, 1997).

Условие равновесия распорных усилий является основным требованием при создании разгрузочных сильфонов компенсаторов. От равновесия распорных усилий в решающей степени зависят характеристики компенсатора. При изготовлении разгруженного компенсатора необходимо выполнить равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов. В данной конструкции это также являются сильфоны малых диаметров, изолирующие стяжки компенсатора, проходящие через фланцы среднего сильфона. Условия равновесия достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды, т.е. сумма всех распорных усилий в компенсаторе равна нулю.The condition for the balance of the spacer forces is the main requirement when creating unloading bellows for compensators. The compensator characteristics to a decisive degree depend on the balance of the spacer forces. In the manufacture of an unloaded compensator, it is necessary to equal the effective area of the middle bellows to the sum of the effective areas of the two side bellows and insulating elements. In this design, these are also bellows of small diameters, insulating compensator ties, passing through the flanges of the middle bellows. The equilibrium conditions are achieved by balancing the spacer forces acting in the compensator at the internal pressure of the medium, i.e. the sum of all spacer efforts in the compensator is zero.

где:Where:

PF^эф _ср - распорное усилие создаваемое средним сильфоном;PF ^eff _cf - spacer force created by the middle bellows;

F^эф _ср - эффективная площадь среднего сильфона;F ^eff _cf is the effective area of the middle bellows;

Р - внутреннее давление среды;P is the internal pressure of the medium;

F^эф _бок - эффективная площадь бокового сильфона;F ^eff _side is the effective area of the side bellows;

F^эф _из - эффективная площадь изолирующих элементов;F ^eff _of - the effective area of the insulating elements;

n - количество изолирующих элементов.n is the number of insulating elements.

Недостатком этой конструкции компенсатора является применение разгрузочных тяг, которые не позволяют в большей степени снизить нагрузки, передаваемые на фланцы компенсатора и уменьшить габаритные размеры и массу компенсатора, а также необходимость в установки изолирующих элементов внутри полости среднего сильфона, что приводит к большой погрешности равенства эффективных площадей сильфонов при фактическом изготовлении компенсатора, что влияет на работоспособность компенсатора.The disadvantage of this design of the compensator is the use of unloading rods, which do not allow a greater degree to reduce the loads transferred to the flanges of the compensator and to reduce the overall dimensions and mass of the compensator, as well as the need to install insulating elements inside the cavity of the middle bellows, which leads to a large error in the equality of the effective areas bellows in the actual manufacture of the compensator, which affects the performance of the compensator.

Задачей данного технического решения является уменьшение габаритных размеров и массы сильфонного компенсатора, повышение его надежности при эксплуатационных нагрузках, и уменьшение погрешности равенства эффективных площадей сильфонов, что непосредственно влияет на работоспособность разгруженного сильфонного компенсатора.The objective of this technical solution is to reduce the overall dimensions and weight of the bellows compensator, increase its reliability under operational loads, and reduce the error of equality of the effective areas of the bellows, which directly affects the performance of the unloaded bellows compensator.

Поставленная задача достигается тем, что в конструкции разгруженного сильфонного компенсатора, состоящего из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей.The task is achieved in that in the design of the unloaded bellows expansion joint, consisting of three coaxial bellows, two identical side and middle with an effective area equal to the sum of the effective areas of the side bellows, equipped with flanges respectively, the outer flanges of the side bellows are paired with the opposite flanges of the middle bellows connecting pipes (pipes) with two or more cutouts of its parts.

Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона осуществляется соединительным патрубком (трубой) с двумя вырезами ее четвертой части позволяющая избежать нагрузки (величины изгибающего момента) на фланцы от внутреннего давления рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. При такой связи отпадает необходимость увеличения наружного диаметра боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг и шарнирных узлов. Кроме того, такая связь позволяет снизить толщину фланцев, массу и габаритные размеры компенсатора. При сварном соединении с трубопроводом отпадает необходимость установки боковых фланцев для крепления разгрузочных тяг.The connection between the flanges on the outer side of the side bellows and the opposite flange of the middle bellows is carried out by a connecting pipe (pipe) with two cutouts of its fourth part, which avoids the load (bending moment) on the flanges from the internal pressure of the working medium and thereby increase the reliability and service life of the structure. With this connection, there is no need to increase the outer diameter of the side flanges for fastening the unloading rods and hinge assemblies. In addition, this connection allows to reduce the thickness of the flanges, weight and overall dimensions of the compensator. With a welded connection to the pipeline, there is no need to install side flanges for fastening the unloading rods.

Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона может осуществляться соединительным патрубком (трубой) с двумя и более вырезами ее частей. Соединительные патрубки (трубы) с левой и правой стороны компенсатора повернуты относительно друг друга на угол 90°.The connection between the flanges on the outside of the side bellows and the opposite flange of the middle bellows can be carried out by a connecting pipe (pipe) with two or more cutouts of its parts. The connecting pipes (pipes) on the left and right sides of the compensator are rotated relative to each other by an angle of 90 °.

Равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов обеспечивает разгрузку сильфонного компенсатора. Это достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды. Дополнительные изолирующие элементы конструкции исключаются. Если сумма всех распорных усилий равна нулю, компенсатор не передает при эксплуатации усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.The equality of the effective area of the middle bellows to the sum of the effective areas of the two side bellows provides unloading of the bellows compensator. This is achieved by balancing the spacer forces acting in the compensator at the internal pressure of the medium. Additional insulating structural elements are excluded. If the sum of all the spacer forces is zero, the compensator does not transfer forces to the supports of pipelines and mechanisms during operation and thereby reduces the cost of building pipeline systems and mechanisms.

F^эф - эффективная площадь сильфона;F ^eff is the effective area of the bellows;

D_вн - внутренний диаметр сильфона,D _int - the inner diameter of the bellows,

Dн - наружный диаметр сильфона.Dn - the outer diameter of the bellows.

Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора соединительный патрубок (труба) служит защитным и направляющим патрубком (обтекателем) не препятствующим работе компенсатора.To reduce the hydraulic resistance and erosive wear of the bellows inside the compensator, the connecting pipe (pipe) serves as a protective and guide pipe (fairing) that does not interfere with the operation of the compensator.

На фигуре показана конструкция предлагаемого разгруженного сильфонного компенсатора, продольный разрез.The figure shows the design of the proposed unloaded bellows compensator, a longitudinal section.

Компенсатор состоит из внешних фланцев 1, патрубков 2, внутренних фланцев 3, соединительных патрубков (труб) 4, боковых 5 и среднего 6 сильфонов. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя вырезами распределенных равномерно по окружности равными частями на необходимую величину (глубину). Вырезов может быть и больше. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и через патрубок 2 соединены внешними фланцами 1 с противоположными внутренними фланцами 3 попарно. Уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора выполняют соединительные патрубки (трубы) 4. Сверху над сильфонами установлены защитные кожухи 7 и 8, которые предохраняют сильфоны 5 и 6 от наружных повреждений.The compensator consists of external flanges 1, nozzles 2, internal flanges 3, connecting nozzles (pipes) 4, side 5 and middle 6 bellows. Connecting nozzles (pipes) 4 are made with two cutouts distributed evenly around the circumference in equal parts by the required amount (depth). There may be more cutouts. The connecting pipes (pipes) 4 are rotated relative to each other by an angle of 90 ° and through the pipe 2 are connected by external flanges 1 with opposite inner flanges 3 in pairs. Reducing the hydraulic resistance and erosive wear of the bellows inside the compensator is performed by connecting pipes (pipes) 4. Protective covers 7 and 8 are installed above the bellows, which protect the bellows 5 and 6 from external damage.

Компенсатор работает следующим образом.The compensator works as follows.

При изменении температуры теплоносителя, протекающего по трубопроводу, возникают тепловые расширения трубопровода, которые через ответные фланцы трубопровода передаются на фланцы 1, соответственно патрубки 2, соединительные патрубки (трубы) 4 и на противоположные внутренние фланцы 3. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя и более вырезами распределенных равномерно по окружности равных частей на необходимую величину (глубину), оставшиеся выступающие части своими вершинами соединены с противоположными внутренними фланцами 3 сварным соединением. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и соединены с противоположными внутренними фланцами 3 попарно. Температурные расширения трубопровода приводят к перемещению фланцев 1, и как следствие, внутренних фланцев 3, в осевом, сдвиговом и угловом направлении. Распорные усилия, возникающие внутри компенсатора, среднего сильфона 6 компенсируются распорными усилиями боковых сильфонов 5. При, к примеру, осевом перемещении сжатии компенсатора средний сильфон 6 растягивается, а боковые сильфоны 5 сжимаются, вследствие чего и происходит компенсация распорных усилий в компенсаторе и не передаются приходящие усилия трубопровода на дальнейший участок за разгруженным сильфонным компенсатором.When the temperature of the coolant flowing through the pipeline changes, thermal expansion of the pipeline occurs, which is transmitted through the mating flanges of the pipeline to the flanges 1, respectively, pipes 2, connecting pipes (pipes) 4 and to the opposite inner flanges 3. Connecting pipes (pipes) 4 are made with two and more cut-outs of equal parts evenly distributed evenly around the circumference by the required amount (depth), the remaining protruding parts with their peaks are connected to opposite inner flanges 3 Varna compound. Connecting nozzles (pipes) 4 are rotated relative to each other by an angle of 90 ° and are connected to opposite inner flanges 3 in pairs. Thermal expansion of the pipeline leads to the movement of the flanges 1, and as a consequence, the internal flanges 3, in the axial, shear and angular direction. The spacer forces arising inside the compensator of the middle bellows 6 are compensated by the spacer forces of the side bellows 5. When, for example, the compression of the compensator is axially displaced, the middle bellows 6 is stretched and the side bellows 5 are compressed, as a result of which the compensation of the spacer forces in the compensator occurs and the incoming the efforts of the pipeline to a further section behind the unloaded bellows compensator.

Таким образом, предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволяет воспринимать статические и динамические деформации (сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), вызванные тепловыми расширениями трубопровода, погрешностью монтажа и вибрацией амортизированных механизмов. Обеспечивает получение компенсаторов с меньшими габаритными размерами и массой, повышенной надежностью. Кроме того, конструкция разгруженного сильфонного компенсатора позволит найти новое решение в качестве гибкого виброизолирующего элемента в паропроводах АЭС с высокими параметрами рабочей среды при создании современных энергетических установок, а также обеспечит перспективу широкого использования конструкции в газовой, нефтяной и других отраслях промышленности.Thus, the proposed design of the bellows compensator allows you to perceive static and dynamic deformations (compression-tension, shear and bending) caused by thermal expansion of the pipeline, installation error and vibration of shock-absorbed mechanisms. Provides compensators with smaller overall dimensions and weight, increased reliability. In addition, the design of the unloaded bellows compensator will make it possible to find a new solution as a flexible vibration-isolating element in steam pipelines of nuclear power plants with high parameters of the working environment when creating modern power plants, as well as provide the prospect of widespread use of the design in gas, oil and other industries.

Claims

An unloaded bellows expansion joint, consisting of three coaxial bellows, two identical side and middle ones with an effective area equal to the sum of the effective areas of the side bellows, respectively equipped with flanges, characterized in that the outer flanges of the side bellows are paired with the opposite flanges of the middle bellows by means of connecting pipes (pipes ) with two or more cutouts of its parts.