RU108545U1

RU108545U1 - UNLOADED BELLOW COMPENSATOR

Info

Publication number: RU108545U1
Application number: RU2011114225/06U
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Скрипниченко; Олег Анатольевич Орехов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Энергомаш (Белгород)-БЗЭМ"
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-09-20

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, разгрузочными тягами, попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона, 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, повернутых относительно друг друга на угол 90° через разгрузочные тяги, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона, при этом разгрузочные тяги расположены непосредственно внутри среднего сильфона. An unloaded bellows compensator, 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, equipped with flanges, discharge rods, pairwise connecting the outer flanges of the side bellows with the opposite inner flanges of the middle bellows, 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 rotated relative to each other by an angle of 90 ° through discharge rods fixed on connecting pipes (pipes) and at the base of the middle bellows flange, while discharge rods are located directly inside the middle bellows.

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.

Недостатком конструкции сильфонного компенсатора является то, что конструктивное расположение разгрузочных тяг с наружной стороны сильфонов значительно увеличивают вес и габариты компенсатора, а также величины изгибающих моментов, передаваемых на фланцы при воздействии внутреннего давления рабочей среды.The disadvantage of the design of the bellows expansion joint is that the structural arrangement of the unloading rods on the outside of the bellows significantly increase the weight and dimensions of the compensator, 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 разгруженный сильфонный компенсатор, принятый в качестве прототипа, состоящий из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, установленными по образующей сильфонов и проходящих внутри среднего сильфона, и попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона (RU, патент №2084749, МПК F16L 51/03, F16J 3/04, от 14.11.1995 г., опубл. 20.07.1997 г.).The closest technical solution is the unloaded bellows 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, equipped respectively with flanges, discharge rods installed along the generatrix of the bellows and passing inside middle bellows, and pairwise connecting the outer flanges of the side bellows with the opposite inner flanges of the middle bellows (RU, patent No. 2084749, IPC F 16L 51/03, F16J 3/04, dated 11/14/1995, published on 07/20/1997).

Недостатком конструкции компенсатора является расположение разгрузочных тяг с наружной стороны боковых сильфонов и проходящих внутри среднего сильфона, что не позволяют в большей степени снизить нагрузки, передаваемые на фланцы компенсатора и уменьшить габаритные размеры и массу компенсатора, а также необходимость 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.A drawback to the design of the compensator is the location of the discharge rods on the outside of the side bellows and passing inside the middle bellows, which does 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 of the bellows in the actual manufacture of the compensator, which affects the performance to 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, влияющей на работоспособность разгруженного сильфонного компенсатора.The objective of this technical solution is to reduce the overall dimensions and weight of the bellows expansion joint, increase its reliability under operational loads, and reduce the error in the equality of the effective areas of the bellows, affecting the performance of the unloaded bellows expansion joint.

Поставленная задача достигается тем, что в разгруженном сильфонном компенсаторе, состоящем из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, попарно соединяющими внешние фланцы боковых сильфонов с противоположными внутренними фланцами среднего сильфона, согласно полезной модели, внешние фланцы боковых сильфонов попарно соединены с противоположными фланцами среднего сильфона посредством соединительных патрубков (труб) с двумя и более вырезами ее частей, повернутых относительно друг друга на угол 90° через разгрузочные тяги, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона, при этом разгрузочные тяги расположены непосредственно внутри среднего сильфона.The task is achieved in that in 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 respectively with flanges, discharge rods, pairwise connecting the outer flanges of the side bellows with opposite inner flanges middle bellows, according to a utility model, the outer flanges of the side bellows are paired with opposite flanges of the middle bellows m of connecting pipes (pipes) with two or more cut-outs of its parts, rotated relative to each other by an angle of 90 ° through discharge rods fixed to the connecting pipes (pipes) and at the base of the middle bellows flange, while the discharge rods are located directly inside the middle bellows.

Связь между фланцами с наружной стороны боковых сильфонов и противоположным фланцем среднего сильфона осуществляется соединительным патрубком (трубой) с двумя вырезами ее четвертой части, через разгрузочные тяги, что позволяет избежать нагрузки (величины изгибающего момента) на фланцы от внутреннего давления рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. Соединительные патрубки (трубы) с левой и правой стороны компенсатора повернуты относительно друг друга на угол 90°. 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 outside 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, through unloading rods, which avoids the load (bending moment) on the flanges from the internal pressure of the working medium and thereby increase reliability and resource design. The connecting pipes (pipes) on the left and right sides of the compensator are rotated relative to each other by an angle of 90 °. 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 через разгрузочные тяги, расположенные непосредственно внутри компенсатора, закрепленные на соединительных патрубках (трубах) и у основания фланца среднего сильфона сварными соединениями. 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 при эксплуатации не передает усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым, обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.The connection between the flanges on the outer side 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 through discharge rods located directly inside the compensator, mounted on the connecting pipes (pipes) and welded to the base of the flange of the middle bellows connections. 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 efforts is zero, the compensator during operation does not transfer efforts to the supports of pipelines and mechanisms and thereby ensures a reduction in the cost of building pipeline systems and mechanisms.

Эффективная площадь любого сильфона определяется:The effective area of any bellows is determined by:

где:Where:

PF^эф _cp - внутреннее давление среды (Р), умноженное на эффективную площадь среднего сильфона (F^эф _cp) - распорное усилие, создаваемое средним сильфоном;PF ^eff _cp — internal pressure of the medium (P) multiplied by the effective area of the middle bellows (F ^eff _cp ) —the spacer force created by the middle bellows;

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

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

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

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

Dвн - внутренний диаметр сильфона;Dвн - 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.

Разгрузочные тяги, на концах которых установлены шарнирные узлы из сферических и конических шайб, устраняют изгиб тяг при сдвиге и изгибе компенсатора, а также снижают сдвиговую и изгибную жесткость компенсатора. Кроме того, наличие разгрузочных тяг способствует уменьшению жесткости компенсатора (а именно угловой и сдвиговой жесткости), тем самым улучшаются характеристики компенсатора.Unloading rods, at the ends of which hinge assemblies of spherical and conical washers are installed, eliminate the bending of the rods during the shift and bending of the compensator, and also reduce the shear and bending stiffness of the compensator. In addition, the presence of unloading rods helps to reduce the stiffness of the compensator (namely, the angular and shear stiffness), thereby improving the characteristics 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, разгрузочных тяг 7. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя (или более) вырезами, распределенными равномерно по окружности равными частями на необходимую величину (глубину) и повернуты относительно друг друга на угол 90°. Оставшиеся выступающие части соединительных патрубков (труб) 4 своими вершинами через патрубок 2 соединены попарно внешними фланцами 1 с противоположными внутренними фланцами 3 через разгрузочные тяги 7, непосредственно расположенные внутри среднего сильфона 6 компенсатора. Разгрузочные тяги 7 выполнены в виде вала, концы которых снабжены шарнирными узлами, состоящими из сферических 8 и конических 9 шайб. Шарнирные узлы на концах тяг 7 устраняют их изгиб при сдвиге и изгибе компенсатора, а также снижают сдвиговую и изгибную жесткость компенсатора. Соединительные патрубки (трубы) 4 служат для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора. Сверху над сильфонами 5 и 6 установлены защитные кожухи 10 и 11, предохраняющие их 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, unloading rods 7. Connecting nozzles (pipes) 4 are made with two (or more) cutouts evenly distributed over circles in equal parts by the required amount (depth) and are rotated relative to each other by an angle of 90 °. The remaining protruding parts of the connecting pipes (pipes) 4 with their peaks through the pipe 2 are connected in pairs by external flanges 1 with opposite internal flanges 3 through discharge rods 7, located directly inside the middle bellows 6 of the compensator. Unloading rods 7 are made in the form of a shaft, the ends of which are equipped with hinged assemblies consisting of spherical 8 and conical 9 washers. The hinge nodes at the ends of the rods 7 eliminate their bending during the shift and bending of the compensator, and also reduce the shear and bending stiffness of the compensator. Connecting nozzles (pipes) 4 are used to reduce hydraulic resistance and erosive wear of the bellows inside the compensator. Above the bellows 5 and 6, protective covers 10 and 11 are installed to protect them 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 внешние фланцы 1 компенсатора и далее через соответственно патрубки 2, соединительные патрубки (трубы) 4, разгрузочные тяги 7 и на противоположные внутренние фланцы 3. Соединительные патрубки (трубы) 4 выполнены с двумя или более вырезами, распределенными равномерно по окружности равных частей на необходимую величину (глубину), оставшиеся выступающие части своими вершинами соединены с противоположными внутренними фланцами 3 с помощью разгрузочных тяг 7. Соединительные патрубки (трубы) 4 повернуты относительно друг друга на угол 90° и соединены с противоположными внутренними фланцами 3 с помощью разгрузочных тяг 7 попарно. Температурные расширения трубопровода приводят к перемещению внешних фланцев 1, и как следствие, внутренних фланцев 3, в осевом, сдвиговом и угловом направлении. Наличие разгрузочных тяг 7 способствует уменьшению жесткости компенсатора (а именно угловой и сдвиговой жесткости), тем самым улучшают характеристики компенсатора. Распорные усилия, возникающие внутри компенсатора и 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, в результате чего исключается передача приходящих усилий 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 through the counterflanges of the pipeline is transmitted to the outer flanges 1 of the compensator and then through the pipes 2, connecting pipes (pipes) 4, unloading rods 7 and the opposite inner flanges 3. nozzles (pipes) 4 are made with two or more cutouts distributed evenly around the circumference of equal parts to the required size (depth), the remaining protruding parts of their tops contact connected to opposite inner flange 3 via the discharge rods 7. Connecting pipes (tubes) 4 are rotated relative to each other at an angle of 90 ° and connected to opposite inner flange 3 via linkage 7 unloading pairs. Thermal expansion of the pipeline leads to the movement of the outer flanges 1, and as a consequence, the inner flanges 3, in the axial, shear and angular direction. The presence of unloading rods 7 helps to reduce the stiffness of the compensator (namely, the angular and shear stiffness), thereby improving the characteristics of the compensator. The spacer forces arising inside the compensator and 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 moved, the middle bellows 6 is stretched, and the side bellows 5 are compressed, as a result of which the expansion forces in the compensator are compensated, as a result which excludes the transfer of incoming pipeline forces 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 обеспечить 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 expansion joint will allow finding 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 providing 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, equipped with flanges, unloading rods, pairwise connecting the outer flanges of the side bellows with the opposite inner flanges of the middle bellows, 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 rotated relative to each other by an angle of 90 ° through discharge rods fixed on connecting pipes (pipes) and at the base of the middle bellows flange, while discharge rods are located directly inside the middle bellows.