本发明涉及直管压力平衡型膨胀节，具体说的是一种具有三向补偿的直管压力平衡型膨胀节。
背景技术：
现有的直管压力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1）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2）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，主要用于吸收轴向和横向位移并能够平衡波纹管的压力推力。
常规结构直管压力平衡型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。
另外，常规直管压力平衡型膨胀节因结构型式的限制主要用于补偿轴向位移，不具备角位移和横向位移补偿的功能。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有三向补偿的直管压力平衡型膨胀节，解决了常规直管压力平衡型膨胀节外径过大、重量较重、制造成本高的问题；同时具备补偿轴向位移、横向位移和角向位移的能力，位移补偿灵活。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种具有三向补偿的直管压力平衡型膨胀节，由依次连接的法兰a、工作波纹管和法兰b组成，在法兰a和法兰b之间的工作波纹管外部周向上设有多个平衡构件，所述的平衡构件由固定设置在法兰a上的压力缸、活塞和万向连杆组件组成，压力缸内按工作波纹管轴向方向设有至少两个相独立的压力腔，在每一个压力腔内设有一个与压力腔的腔壁相匹配并在压力腔内滑动设置的活塞，压力腔由活塞分隔为密封腔和排气腔，在排气腔侧的压力缸上设有与外部空气相连通的排气孔，所述的万向连杆组件由万向连杆和柔性管组成，万向连杆的轴中心为中空结构，在该中空结构中设有柔性管，万向连杆的一端伸入各压力腔内与各活塞连接，并带动所有活塞同向运动，在密封腔内的万向连杆上或活塞上开设有与柔性管相连通的引流孔，万向连杆的另一端与法兰b连接，在法兰b内开设有使柔性管与膨胀节介质通道相连通的介质流通孔，使介质流通孔、柔性管和密封腔依次相连通，在压力缸与法兰b之间的万向连杆上设有至少两个万向节，当工作波纹管压缩时，压缩位置处的压力缸内的密封腔内的介质随活塞的滑动增加，当工作波纹管拉伸时，拉伸位置处的压力缸内的密封腔内的介质随活塞的滑动增加，使膨胀节处于平衡状态。
本发明所述的介质流通孔的截面为l型。
本发明所述的万向节为球形万向节、十字轴万向节、球叉式万向节、三销轴式万向节或球笼式万向节。
本发明有益效果是：采用了一种新型平衡结构，取消了平衡波，膨胀节外径可缩小30%以上，大幅减轻了膨胀节重量，节约了成本。利用新式的平衡构件可补偿轴向位移、横向位移和角向位移，具有补偿灵活的特点，同时具备结构简单，安全可靠的特点。
附图说明
图1为常规外压直管压力平衡型膨胀节示意图；
图2为常规内压直管压力平衡型膨胀节示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的平衡构件的结构示意图；
图5为本发明的竖向平衡状态示意图；
图6为本发明的横向位移补偿变化示意图；
图7为本发明的角位移补偿变化示意图；
图中：1、法兰a、2、工作波纹管，3、平衡构件，3-1、压力缸，3-2、活塞，3-3、密封圈a，3-4、活塞连杆，3-5、横隔板，3-6、密封圈b，3-7、万向连杆组件，3-7-1、万向连杆，3-7-2、柔性管，3-7-3、万向节，3-8、压力腔，3-8-1、密封腔，3-8-2、排气腔，3-8-3、引流孔，3-8-4、排气孔，4、法兰b，4-1、介质流通孔。
具体实施方式
下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。
如图3所示，一种具有三向补偿的直管压力平衡型膨胀节，由依次连接的法兰a1、工作波纹管2和法兰b4组成，在法兰a1和法兰b4之间的工作波纹管2外部周向上设有多个平衡构件3，该专利中指出的多个最少为两个，当法兰a1作为介质进口时，法兰b4作为介质出口，或当法兰a1作为介质出口时，法兰b4作为介质进口，并不影响平衡构件3的连接。法兰a1和法兰b4只是限定具有与工作波纹管2连通的中间介质进口，以及圆周方向的用于固定平衡构件3的外边沿，其它与法兰结构相类似的构件均属于法兰结构。整个膨胀节在使用时不限制于竖直使用或水平使用。
如图4所示，多个平衡构件最优均匀设置在工作波纹管2的外侧，单个的平衡构件由固定设置在法兰a1上的压力缸3-1、活塞3-2和万向连杆组件3-7组成，法兰a1作介质入口法兰或介质出口法兰均可，可采用螺栓固定、焊接固定等固定方式，使压力缸3-1随法兰a1运动，压力缸3-1内按工作波纹管2轴向方向设有至少两个相独立的压力腔3-8，在每一个压力腔3-8内设有一个与压力腔3-8的腔壁相匹配并在压力腔3-8内滑动设置的活塞3-2，活塞3-2与压力缸3-1侧壁间设置密封圈a3-3进行密封，压力腔3-8由活塞3-2分隔为密封腔3-8-1和排气腔3-8-2，在排气腔3-8-2侧的压力缸3-1上设有与外部空气相连通的排气孔3-8-4，避免活塞运动时空腔因体积缩小压强升高，影响活塞的运动，通气孔的位置避开活塞的移动范围。多个压力腔可采用在压力缸的内腔加入横隔板3-5的形式分隔出多个压力腔，横隔板3-5的设置是为了将压力缸3-1分割成两个或多个腔室，配合活塞3-2的设置，形成两个或多个相互独立的腔室。当介质流入各个独立腔室后，压力作用于活塞和腔室的总面积将明显大于不设置横隔板时单个腔室的压力作用面积，因而，当压力推力一定时，相应的设置横隔板的平衡构件结构可明显缩小压力缸3-1外径，从而减小设备整体外形尺寸，并减轻设备重量。当取消横隔板设置时，虽然也具备该新式直管压力平衡型膨胀节的所有位移补偿能力和平衡压力推力功能，但相对设置横隔板的结果而言，外形尺寸较大，设备重量较重。
万向连杆组件3-7由万向连杆3-7-1和柔性管3-7-2组成，万向连杆3-7-1的轴中心为中空结构，在该中空结构中设有柔性管3-7-2，柔性管3-7-2防止万向连杆3-7-1在万向转动时中心的中空结构无法对准，内部介质无法流通，万向连杆3-7-1的一端伸入各压力腔3-8内与各活塞3-2连接，并带动所有活塞3-2同向运动，万向连杆3-7-1伸入压力缸的底部孔中，与底部孔之间由密封圈进行密封，万向连杆3-7-1与活塞的连接形式一种为直接依次穿过各个活塞，对每个活塞进行共同连接，并保护万向连杆3-7-1的与最上端的活塞连接不会与排气腔连通，使万向连杆3-7-1的该端口密封，或不从活塞穿出，直接由活塞进行密封，另一种是在活塞与活塞之间加入中空的活塞连杆3-4，未端的活塞连杆3-4与万向连杆3-7-1连通，活塞连杆3-4与横隔板3-5圆孔内壁通过密封圈b3-6进行密封，该种连接形式，实际上是将万向连接3-7-1进行了拆分组合，不管何种连接，保证万向连接在竖向移动时，带动活塞沿轴线方向共同移动即可。
在密封腔3-8-1内的万向连杆3-7-1上或活塞3-2上开设有与柔性管3-7-2相连通的引流孔3-8-3，万向连杆3-7-1的另一端与法兰b4连接，在法兰b4内开设有使柔性管3-7-2与膨胀节介质通道相连通的介质流通孔4-1，使介质流通孔4-1、柔性管3-7-2和密封腔依次相连通，在压力缸3-1与法兰b4之间的万向连杆3-7-1上设有至少两个万向节3-7-3，即当活塞运动时，利用密封腔的增大或减小，将膨胀节介质通道内的介质吸入或排出密封腔，当工作波纹管2压缩时，压缩位置处的压力缸3-1内的密封腔3-8-1内的介质随活塞3-2的滑动增加，当工作波纹管2拉伸时，拉伸位置处的压力缸3-1内的密封腔3-8-1内的介质随活塞3-2的滑动增加，使膨胀节处于平衡状态。即如图5、图6、图7所示，竖向位移、横向位移、角位移时，平衡构件均会随工作波纹管的变形状态随之调整。
介质流通孔4-1的截面为l型。
万向节为球形万向节、十字轴万向节、球叉式万向节、三销轴式万向节或球笼式万向节。
平衡原理：工作状态下，膨胀节两端法兰与管系连接，内部充满压力为p的介质，介质自法兰b4的介质流通孔4-1，经柔性管3-7-2、引流孔3-8-3进入密封腔3-8-1内。如图5、图6、图7所示。
为实现压力平衡，由第m个平衡构件内的压力缸3-1和活塞3-2组成的多个密封腔之和的横截面积为am（每个平衡构件内所有密封腔内的活塞3-2横截面积与万向连杆3-7-1横截面积之差的和），所有平衡构件的横截面积am之和应等于波纹管有效面积ac（详见gb/t12777-2008标准），即满足下式，i代表平衡构件内的密封腔的个数,
以法兰b4受力分析，工作状态下，法兰受到的压力推力
由平衡构件3通过压力p作用于活塞上的力
由式（1）可知：
f2经活塞3-2和万向连杆3-7-1传递至法兰b4，与法兰b4所有的压力推力f1大小相等、方向相反，因此作用于法兰的压力推力可由平衡构件3提供的反向力完全平衡，从而消除膨胀节对设备的作用力，实现压力平衡。
如采用8个平衡构件，每个平衡构件具有2个密封腔的膨胀节，为实现压力平衡，每个平衡构件由压力缸3-1和活塞3-2组成的密封腔横截面积am之和应等于波纹管有效面积ac（详见gb/t12777-2008标准），即满足下式。
a1=a11a2=a21a3=a31a4=a41
a5=a51a6=a61a7=a71a8=a81(2)
以法兰b4受力分析，工作状态下，法兰受到的压力推力
由平衡构件3通过压力p作用于活塞上的力
由式（1）可知：
此时膨胀节处于平衡状态。
位移补偿方式：
（1）发生轴向位移：管道内充满压力为p的介质时，万向连杆3-7-1处于绷直状态，工作波纹管2随管道变形发生压缩或拉伸，如图5所示，因变形协调需要，压力缸3-1和活塞3-2发生同步相对移动，重新达到新的稳定状态。由上述平衡原理可知，膨胀节始终处于压力平衡状态。
（2）发生横向位移：管道内充满压力为p的介质时，万向连杆3-7-1处于绷直状态。膨胀节两端的法兰a1和法兰b4因管道变形发生平行横向错动，工作波纹管2发生横向位移。如图6所示。由变形协调条件可知，此时万向连杆3-7-1将由绷直状态自万向节处发生转动，产生倾斜，进而拉动所有活塞3-2向下移动，在新的位移实现稳定。有上述平衡原理可知，膨胀节始终处于压力平衡状态。
（3）发生角位移：管道内充满压力为p的介质时，万向连杆3-7-1处于绷直状态。膨胀节两端的法兰a1和法兰b4因管道变形一侧高一侧低，工作波纹管2发生角向位移。如图6所示。由变形协调条件可知，此时万向连杆3-7-1将由绷直状态自万向节处发生转动，产生倾斜，进而拉动所有活塞3-2向下移动，在新的位移实现稳定。有上述平衡原理可知，膨胀节始终处于压力平衡状态。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。