Двухседельный разгруженный клапан

 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды. В процессе работы клапан изменяет свои функциональные свойства, переходя от работы двухседельного к работе односедельного клапана, при этом разгруженность клапана не изменяется. Разгруженность клапана является следствием взаимодействия запорного органа, ступенчатого штока и давления среды. Клапан состоит из корпуса с патрубками и крышки с подшипником скольжения под шток и уплотнителем штока. Внутри корпуса установлена цилиндрическая обойма с профилированными окнами на боковой поверхности и конусной внутренней поверхностью. На последней сформированы седла под запорный орган. Обойма снабжена крышкой с подшипником скольжения под шток и уплотнением штока. Внутри обоймы размещен запорный орган. Запорный орган соединен со ступенчатым штоком и выполнен в виде пробки в форме усеченного конуса со сквозными продольными отверстиями. Изобретение направлено на повышение надежности за счет уравновешивания сил, действующих на запорный орган при любых давлениях и перепадах давления на клапане. 3 ил.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к клапанам для управления потоком рабочей среды.

Известен односедельный клапан, содержащий корпус с патрубками, затвор в виде штока, соединенного с поршнем, диаметр которого больше диаметра прохода в седле. Полости над затвором и под ним сообщаются друг с другом каналами. ("Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС". Э.Е. Благов, 1990 г., стр. 55, рис. 4.7.).

Недостатком известного устройства является неуравновешенность затвора, что ограничивает его применение при больших перепадах давления и расходов, из-за больших перестановочных усилений, приводящих к снижению его надежности.

Известен двухседельный клапан содержащий корпус с патрубками и крышкой, затвор в виде штока соединенного с двухступенчатым поршнем, седла в виде втулок с профилированными окнами ("Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС". Э. Е. Благов, 1990 г., стр. 63, рис. 4.12). Такой клапан можно использовать при больших перепадах давления ввиду наличия окон, способствующих разбивке потока на несколько струй. Однако недостатком известного устройства является невысокая герметичность затвора и лишь частичная разгруженность от рабочего давления, что приводит к снижению его надежности.

Известен двухседельный клапан, содержащий корпус с патрубками и крышкой, затвор в виде штока, соединенного с пробковыми плунжерами, седла в виде втулок с коническими уплотняющими поясами. ("Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС". Э.Е. Благов, 1990 г., стр. 62, рис.4.11.). Такой клапан герметичен, но только частично разгружен от рабочего давления, что снижает его надежность.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является двухседельный разгруженный клапан содержащий корпус с двумя патрубками и крышкой с уплотнением штока, жестко соединенную с корпусом цилиндрическую обойму с профилированными окнами на ее боковой поверхности и двумя седлами, и жестко соединенный со штоком запорный орган с продольными сквозными отверстиями, расположенный с возможностью взаимодействия с седлами обоймы (Патент США (US) N 3892384 A, кл. F 16 K 1/44, 01.07.75 (5)).

Рассматриваемый клапан имеет соответствующее функциональное разделение между верхним и нижним поясами уплотнений. Нижний уплотнительный пояс клапана служит для перекрытия потока среды или его регулирования, а верхний - для исключения протечек среды в положении - клапан закрыт, т.к. запорный орган, свободно перемещающийся в направляющем поясе обоймы, не обеспечивает герметичности.

По конструкции двухседельный клапан выполняет функции односедельного клапана. Запорный орган, выполненный в виде стакана и жестко соединенный со штоком, имеет разные площади модулевых сечений по донышку и высоте стакана и поэтому только частично разгружен от давления рабочей среды.

Недостатком известного устройства является неуравновешенность запорного органа, что ограничивает его применение при больших расходах, давлениях и снижает надежность.

Надежность любого клапана зависит от величины перестановочного усилия. Перестановочное усилие - это сила, которую необходимо приложить для перемещения запорного органа клапана, зависящая от неуравновешенных сил приложенных к запорному органу, возникающих от давления протекающей среды, перепада давления, конструкции запорного органа, количества седел и т.д.

Разгруженность клапана это уменьшение перестановочного усилия, достигаемого посредством определенных мероприятий.

Именно перестановочное усилие ограничивает применение односедельных клапанов любой конструкции для регулирования больших расходов среды высокого давления при значительных перепадах давления на клапане.

Изобретение направлено на повышение надежности за счет создания принципиально нового разгруженного клапана с полностью разгруженным запорным органом.

Указанный технический результат достигается за счет радикального изменения конструкции прототипа, в результате чего получаем двухседельный разгруженный клапан содержащий корпус с патрубками и крышкой с уплотнителем и подшипником скольжения под шток, цилиндрическую обойму с профилированными окнами на боковой поверхности и двумя сформированными седлами на внутренней конусной поверхности под запорный орган, снабженную крышкой с уплотнителем и подшипником скольжения под шток, ступенчатый шток, жестко соединенный с запорным органом, выполненным пробкой в форме усеченного конуса с продольными сквозными отверстиями, перегородку, жестко соединенную с корпусом клапана и обоймой.

Перегородка и обойма с запорным органом формируют в клапане полости высокого и низкого давлений.

Разгруженность клапана является следствием взаимодействия запорного органа, ступенчатого штока и давления протекающей среды.

Возникающие усилия, приложенные к запорному органу, от давления протекающей среды уравновешиваются силами, приложенными к ступенчатому штоку, от давления той же среды.

Таким образом, перестановочное усилие затрачивается на преодоление только сил трения в сальниках и подшипниках скольжения штока при любых давлениях и перепадах давления на клапане. Являясь по конструкции двухседельным клапаном, он с изменением положения запорного органа изменяет свои функциональные свойства, переходя на работу односедельного клапана.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый угловой разгруженный клапан в разрезе.

На фиг. 2 схематично показана запорная часть клапана с седлами, запорным органом и ступенчатым штоком.

На фиг. 3 схематично показаны расстояния от седел до запорного органа, формирующие площади проходных сечений у верхнего и нижнего седел.

Клапан по фиг. 1 содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 патрубки, крышку 4 с подшипником скольжения под шток и уплотнителем 5, ступенчатый шток 6, проходящий через крышку корпуса клапана своим меньшим диаметром. Внутри корпуса клапана установлена цилиндрическая обойма 7, снабженная профилированными окнами на боковой поверхности 8, седлами 9 и 10 на внутренней конической поверхности и крышкой 11 с подшипником скольжения и уплотнителем под шток 12, через которую проходит ступенчатый шток 6 своим большим диаметром. Между корпусом клапана и обоймой установлена перегородка 13, жестко соединенная с обоймой и корпусом клапана. Внутри обоймы установлен запорный орган 14, выполненный пробкой в форме усеченного конуса с продольными сквозными отверстиями 15, жестко соединенный со ступенчатым штоком 6.

Герметизация клапана осуществляется посадкой запорного органа 14 на седла клетки 9 и 10 обоймы 7. Перегородка 13 и герметизированная запорным органом обойма 7 разделяют клапан на полости высокого и низкого давлений.

Угол конусности запорного органа "б" проверяется из условия отсутствия самоторможения. Патрубки 2 и 3 могут быть выполнены с фланцами или без фланцев приварными в зависимости от давления, температуры, среды и технологии. Корпус клапана с патрубками, перегородка и обойма могут быть выполнены за единое целое в зависимости от способа и применяемой технологии при изготовлении клапана.

Наличие направляющих подшипников под шток в крышках корпуса и обоймы препятствует возникновению вибраций затвора.

Внутренняя поверхность седел-ленточных поясов уплотнений выполнена ответной сопрягаемой поверхности запорного органа.

Клапан работает следующим образом.

При возвратно-поступательном перемещении запорного органа 14 относительно обоймы 7 и седел 9 и 10 изменяются проходные сечения между запорным органом и вышеназванными элементами, что дает возможность осуществлять управление потоком движущей среды, при этом запорный орган полностью разгружен независимо от давления и перепада давления на клапане.

Рассмотрим несколько положений запорного органа со ступенчатым штоком по фиг. 2, где схематично показана запорная часть клапана.

1. Затвор закрыт (запорный орган посажен на седла 9 и 10).

Внутреннее давление P. Противодавление P₁=0.

Действующие силы Н и К.

Условию равновесия запорного органа должно удовлетворять Н=К, или равенство площадей модулевых сечений запорного органа и штока.

Н=0,785(Д₅²-Д₆²)·P К=0,785(Д₃²-Д₄²)·P Д₅²-Д₆²=Д₃²- Д₄² 2. Затвор закрыт.

Внутреннее давление P. Противодавление P₁.

Условию равновесия запорного органа должно удовлетворять Н=К.

Н = 0,785(Д₁²-Д₅²)·P₁+0,785 (Д₅²-Д₆²)·P К=0,785(Д₂²·P₁+0,785 (Д₃²-Д₄²)·P (Д₁²-Д₅²)·P₁+ (Д₅²-Д₆²)·P=Д₂²· P₁+(Д₃²-Д₄²)·P Если по п. I Д₅²-Д₆²=Д₃²- Д₄² то Д₁²-Д₅²=Д₂² 3. Затвор открыт на полный ход штока "В".

Торец запорного органа находится на уровне верхнего седла уплотнительного пояса. Вся полость клетки находится под внутренним давлением P. Клапан работает как односедельный клапан. Расход и дросселирование осуществляется через нижнее уплотнительное седло. Запорный орган находится в равновесии по п.1 Н=К 4. Затвор открыт на неполный ход штока - "В₁" От того как изменяются площади проходных сечений фиг. 3 между периметром запорного органа и нижним седлом - Б, и верхним седлом и образующей пробки - С, изменяется и работа клапана с переходом от работы двухседельного клапана к работе односедельного. При равенстве площадей у нижнего и верхнего седел Б=С клапан работает как двухседельный. По мере увеличения площади проходного сечения у нижнего седла - Б больше С - клапан начинает приоритетно работать как односедельный, при дальнейшем увеличении площади проходного сечения у нижнего седла - Б много больше С - клапан работает как односедельный по п.3.

5. Справедливо выражение АД₆² = 2а(Д₁²- Д₂²) при выбранных Д₆, а, А.

Д₂ - всегда величина расчетная.

Седла - ленточные пояса уплотнений могут быть выполнены другим способом стр. 292 "Справочник конструктора трубопроводный арматуры" Д.Ф. Гуревич 1987 г., но с обязательным соблюдением п.1-3.

С соблюдением пунктов 1-3 возникает возможность конструирования разгруженных проходных и прямоточных клапанов любого назначения.

По требованиям технологии, характеристики клапана - конструктивные, эксплуатационные (запорный, дроссельно-регулирующий и т.д.) могут корректироваться за счет изменения профиля запорного органа.

При создании элементов клапана может быть использовано литье, поковка, штамповка, трубы и элементы трубопроводов. Материалы выбираются в зависимости от среды, давления и температуры среды.

Исполнительным механизмом - приводом перемещения запорного органа может быть любой, отвечающий условиям технологии - рычажный, винтовой, пневматический, гидравлической и т.д.

Клапан может быть установлен в любом положении, направление движения среды значения не имеет. Клапан может быть применен для пара, газообразных, жидких, вязких сред как агрессивных так и не агрессивных, на любые давления и перепады давлений, любые расходы.

Формула изобретения

Двухседельный разгруженный клапан, содержащий корпус с патрубками и крышкой с уплотнением штока, жестко соединенную с корпусом цилиндрическую обойму с профилированными окнами на ее боковой поверхности и двумя седлами, и соединенный со штоком запорный орган с продольными сквозными отверстиями, расположенный с возможностью взаимодействия с седлами обоймы, отличающийся тем, что крышка корпуса снабжена подшипником скольжения под шток, а обойма - крышкой с подшипником скольжения под шток и уплотнением штока, при этом шток выполнен ступенчатым, внутренняя поверхность обоймы - конусной со сформированными на ней седлами, а запорный орган - в виде пробки в форме усеченного конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3