Устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводе

 

Устройство предназначено для регулирования расхода жидкости, преимущественно теплоносителя, в атомных электрических станциях (АЭС) на трубопроводах большого диаметра (Д_у > 400 мм), подающих теплоноситель в активную зону от главного центробежного насоса (ГЦН). Устройство применимо также и на тепловых электростанциях в трубопроводах, подающих в котел воду под давлением. В корпусе дросселирующего устройства формируется не один поток, а два потока, которые дросселируются независимо друг от друга. Один поток образуется дросселем с постоянным гидравлическим сопротивлением, выполненным в виде втулки, установленной по продольной оси корпуса, а второй, регулируемый, поток формируется дросселем с поворотной золотниковой втулкой. Ось дросселя установлена вдоль продольной оси корпуса, а сам дроссель выполнен в виде полого кольца, дистанционно охватывающего втулку нерегулируемого дросселя. Технический результат - наличие нерегулируемого дросселя в виде втулки с заданным гидравлическим сопротивлением и расходом, обеспечивающим нижний уровень расхода в ГЦН позволяет избавиться от кавитационных и эрозионных процессов в корпусе устройства. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к регулирующей арматуре трубопроводов большого диаметра (Д_у>400 мм), применяемых на атомных и тепловых электростанциях для регулирования расхода теплоносителя в зависимости от режима работы активной зоны атомного реактора или котла тепловой электростанции.

Устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе работают на принципе дросселирования потока путем изменения площади проходного сечения и в технической литературе называются регулирующими клапанами.

Регулирующие клапаны в энергетических трубопроводах применяются в сочетании с задвижками, т.к. регулирующие клапаны в качестве запорной арматуры не используются.

Известны регулирующие клапаны в основном двух типов: поворотные заслонки в виде диска и золотниковые конструкции, когда поток в корпусе клапана перекрыт неподвижной гильзой с окнами, в которую вставлена поворотная золотниковая втулка с такими же окнами. Когда окна совпадают, то поток через них проходит максимальный, а когда золотниковая втулка поворачивается на заданный угол, то окна на неподвижной втулке частично перекрываются, происходит дросселирование потока и изменение его расхода.

Известен клапан регулирующий типа поворотной заслонки в виде диска Ду 400 (см. отраслевой каталог "Арматура энергетическая для ТЭС и АЭС", М., 1986, стр. 190, рис. 194). Клапаны этого типы бывают весьма больших проходных отверстий, например клапан дроссельный Д_у 800 ПТ 96510-800. Основным недостатком этого типа клапанов является большая несимметричность потоков, которые обтекают приоткрытую заслонку с двух сторон. Такая ассиметричность потока приводит к вибрации диска заслонки и пульсации потока на выходе.

Наиболее интенсивно это проявляется при малых углах открытия заслонки, что бывает необходимо, чтобы защитить насосный агрегат от кавитационных процессов, которые возникают на определенных режимах теплового агрегата, требующих малого расхода теплоносителя, например, для активной зоны ядерного реактора.

При любых углах открытия диска заслонки и соответственно больших величинах перепада давления возникают кавитационные явления, которые приводят к эрозионному разрушению поворотной заслонки, корпуса клапана и расположенного за клапаном оборудования, включая стенки трубы.

Для продления ресурса работы оборудования на практике применяют противоэрозионные наплавки на диск заслонки, корпус и прилегающие к клапану поверхности трубы и оборудования.

Кроме этого, у клапанов с поворотной заслонкой возникает вибрация, от которой быстро выходят подшипники, на которых поворачивается заслонка.

Все это вместе повышает стоимость эксплуатации этих типов дроссельных устройств, особенно на трубопроводах с проходным сечением Д_у>500 мм.

Также известны дроссельные устройства золотникового типа, в которых поворотная золотниковая втулка с окнами, помещенная в неподвижную гильзу с такими же окнами, регулирует поток в трубопроводе (см. отраслевой каталог "Арматура энергетическая ТЭС и АЭС", М., 1986, стр. 69-70, рис. 61).

Регулирование потока в этой конструкции клапана производится за счет дросселирования потока через окна неподвижной гильзы и через окна поворачиваемой золотниковой втулки. При совпадении окон расход максимальный, а при повороте золотника в сторону положения, когда окна неподвижной гильзы начинают перекрываться, расход уменьшается.

В тех случаях, когда по условиям эксплуатации активной зоны реактора требуются малые расходы теплоносителя, окна в неподвижной гильзе открываются на небольшой угол. При малых открытиях окон в неподвижной гильзе с золотниковой втулкой и соответственно больших величинах перепада давления возникают кавитационные процессы, как в самом дросселе, так и вокруг его, что в итоге приводит к различным эрозионным разрушениям внутренних поверхностей корпуса и золотниковой системы.

Кавитация поверхностей вызывается не только малым открытием, но и тем, что оси неподвижной гильзы и золотниковой втулки расположены перпендикулярно продольной оси корпуса клапана и трубопровода.

Из-за этого высокоскоростной поток теплоносителя, входя в корпус клапана, ударяется в стенку неподвижной гильзы, проходит через ее окна, дважды меняя свое направление на 90^o, что также приводит к условиям для образования кавитационных процессов и вибрации.

Другим недостатком дросселей золотникового типа, у которых ось неподвижной гильзы с золотниковой втулкой перпендикулярна оси корпуса и трубопровода, является большое гидравлическое сопротивление, которое должен преодолевать ГЦН (главный центробежный насос). Например, в случае режима кипения в активной зоне реактора возрастает гидравлическое сопротивление, поэтому приходится максимально снижать гидравлическое сопротивление дросселя. Это удается только за счет увеличения габаритов неподвижной гильзы и золотниковой втулки и их окон, а следовательно, и корпуса, что увеличивает вес и стоимость клапана.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание золотникового устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра (Д_у>400 мм) с минимальным гидравлическим сопротивлением, которое бы плавно без больших завихрений пропускало и регулировало поток в трубопроводе без образования в нем кавитационных процессов, имея при этом минимальные габариты, вес и стоимость.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в образовании в корпусе регулирующего устройства двух независимых потоков: один нерегулируемый, проходящий через дроссель, расположенный по оси корпуса и выполненный в виде втулки с постоянным гидравлическим сопротивлением, а другой в виде кольцевого потока, соосного с первым и регулируемого золотниковым устройством, установленным соосно с корпусом и трубопроводом, при этом габариты и общий вес снизились на 25 - 30% по сравнению с известными устройствами золотникового типа при одинаковых Д_у.

Втулка с постоянным гидравлическим сопротивлением, получаемым за счет поперечных кольцевых ребер, выполненных на ее внутренней поверхности, имеет постоянный расход на уровне, необходимом для поддержания нижнего обязательного уровня режима расхода теплоносителя в активной зоне работающего или останавливаемого реактора.

Золотниковое устройство, регулирующее кольцевой поток, выполнено соосно с направлением главного потока, что обеспечивает плавное перетекание жидкости в кольцевую камеру практически без завихрений, и там продолжает движение в том же направлении, что и центральный поток, идущий через нерегулируемый дроссель.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для регулирования расхода жидкости в трубопроводе, содержащем корпус, установленную в нем неподвижную гильзу с окнами, в которую помещена золотниковая втулка с окнами и с возможностью ее поворота вокруг оси с помощью приводного вала, выведенного за пределы корпуса: - гильза с окнами выполнена в виде кольцевой камеры с одним открытым торцом в сторону движения жидкости и окнами на внутренней стенке, при этом гильза в месте с золотниковой втулкой установлена соосно с трубопроводом, а по оси золотниковой втулки установлен дроссель с постоянным гидравлическим сопротивлением; - кроме того, дроссель выполнен в виде неподвижной втулки, на внутренней поверхности которой установлены поперечные ребра, обеспечивающие заданное гидравлическое сопротивление; - кроме того, приводной вал установлен по касательной к золотниковой втулке с возможностью осевого перемещения, при этом рабочий конец вала соединен с золотниковой втулкой с помощью кулисного механизма; - кроме того, на внешней поверхности золотниковой втулки выполнена вилка, в которой с обеспечением перемещения установлен "камень" кулисного механизма, в котором с возможностью качения закреплен рабочий конец приводного вала; - кроме того, приводной вал выполнен с участком резьбы в паре с приводной гайкой и шлицевым участком, предотвращающим вращение вала; - кроме того, со стороны входа потока жидкости на торце золотниковой втулки выполнен конфузор; - кроме того, в кольцевой камере и в золотниковой втулке окна выполнены в виде продольных щелей, расположенных с равным угловым шагом по окружности; - кроме того, наружная и внутренняя стенки кольцевой камеры соединены радиальными ребрами, равномерно расположенными по окружности;
- кроме того, начало наружной поверхности от торца дроссселя плавно соединено с концом внутренней поверхности стенки золотниковой втулки с помощью обтекателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе На фиг.2 представлен разрез по А-А. На фиг 3 представлен фрагмент разреза по Б-Б в случае, когда окна кольцевой камеры (гильзы) перекрыты золотниковой втулкой На фиг 4 представлен фрагмент разреза по Б-Б в случае, когда окна кольцевой камеры (гильзы) открыты золотниковой втулкой.

Устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводе выполнено в виде: корпуса 1, кольцевой камеры 2 с открытым торцом 3 и окнами 4; золотниковой втулки 5 с окнами 6; дросселя 7 с постоянным гидравлическим сопротивлением; приводного вала 8 и вилки 9, выполненной на внешней поверхности золотниковой втулки 5, "камня" 10 кулисного механизма; приводной гайки 11 с участком резьбы 12 на приводном валу 8 и шлицевым участком 13; конфузора 14; радиальных ребер 15, расположенных в кольцевой камере 2, и обтекателя 16, плавно направляющего жидкость в окна 6 золотниковой втулки 5.

Конструкция заявляемого устройства обеспечивает разделение единого потока, идущего по трубопроводу от ГЦН, на два параллельных потока, сходящихся на выходе из корпуса, один из которых с постоянным гидравлическим сопротивлением и расходом, а другой с изменяемым гидросопротивлением и расходом Поток с постоянным расходом обеспечивается дросселем в виде втулки с поперечными ребрами, установленной по оси корпуса устройства, при этом размер втулки и расход через нее выбран таким образом и с таким гидравлическим сопротивлением, что этот дроссель обеспечивает самый нижний уровень расхода теплоносителя, необходимый по регламенту, например, при выводе реактора из эксплуатации. Этот режим с малым расходом в известных конструкциях дросселей вызывает интенсивную вибрацию потока и кавитационные процессы как внутри корпуса, так и на выходе из него.

Прямоточный дроссель в виде втулки 7, установленной по оси корпуса, не создает условий для образования кааитационных процессов внутри корпуса и на выходе из него. Этому способствует также и то, что дроссель в виде втулки 7 установлен по оси потока, где скорость потока наибольшая, и в своем движении поток не встречает никаких препятствий, кроме пристеночного торможения из-за поперечных ребер, установленных на внутренней стенке втулки 7.

Второй поток формируется дросселем золотникового типа, состоящим из кольцевой камеры 2 с окнами 4 и золотниковой втулки 5 с окнами 6.

Кольцевая камера 2 имеет кольцевой выход 3, из которого вытекает второй поток в виде кольцевой струи, охватывающей первый нерегулируемый поток, исходящий из центрального дросселя 7.

Когда по условиям эксплуатации теплового агрегата необходимо увеличить расход, то с помощью приводной гайки 11 и приводного вала 8 поворачивают золотниковую втулку 5, что приводит к частичному совмещению окон 4 на кольцевой камере 2 с окнами 6 на золотниковой втулке 5.

На фиг.3 и фиг.4 показаны два крайних положения окон: на фиг.3 показано перекрытие потока через регулируемый дроссель, а на фиг.4 показано полное открытие окон, обеспечивающих в сочетании с промежуточным дросселем 7 максимальный расход жидкости, проходящей через устройство.

Промежуточные положения окон золотниковой втулки 5 с окнами кольцевой камеры 2 обеспечивают любой требуемый расход жидкости через заявляемое устройство.

Форма окон 4 и 6 в виде продольных щелей на всю их длину формирует плавное перетекание потока из полости золотниковой втулки 5 в полость кольцевой камеры 2.

На прозрачной модели из оргстекла и жидкости с каплями из цветной эмульсии было показано, что эмульсионные шарики проходят окна под углом к оси корпуса в пределах от 12^o до 30^o в зависимости от места входа шарика в окно. Плавному перетеканию жидкости из полости золотниковой втулки в полость кольцевой камеры способствует наличие конфузора 14, который направляет поток как в прямоточный нерегулируемый дроссель 7, так и к окнам кольцевой камеры 2 и золотниковой втулки 5, а также наличие обтекателя 16, который дополняет формирование плавного потока, идущего к окнам регулируемого дросселя, а также наличие в кольцевой камере 2 радиальных ребер 15, которые уменьшают турбулентность струй, проходящих через окна 6, 4, и формируют из них на выходе 3 кольцевой поток, соосный корпусу и трубопроводу.

Конструкция заявляемого устройства выполнена таким образом, что в ней отсутствуют детали, которые, не участвуя в процессе дросселирования, находились бы в потоке жидкости, проходящей через корпус 1, например приводной вал 8, который в заявляемой конструкции экранирован конфузором 14.

Приводной вал 8 расположен с наружной поверхности золотниковой втулки в застойной зоне, через которую поток практически не проходит.

Поворот золотниковой втулки на заданную величину открытия окон осуществляется приводным валом 8 через вилку 9, выполненную на внешней поверхности золотниковой втулки 5, и "камень" 10 кулисного механизма.

Заявляемая конструкция устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра, свыше 400 мм, имеет по сравнению с известными конструкциями того же назначения меньшие габариты, вес и стоимость изготовления, а также меньшие затраты при эксплуатации. При этом наибольшая экономия получается за счет отсутствия потребности нанесения на внутренние поверхности устройства и участки трубы, находящиеся за устройством, дорогостоящих противоэрозионных наплавок. Это объясняется тем, что поток жидкости, проходя через устройство, не вызывает кавитационных процессов элементов конструкции устройства, а отсутствие кавитации предотвращает зарождение эрозионных процессов.

На основании проведенных расчетов и экспериментов на прозрачной модели были разработаны рабочие чертежи полномасштабного экспериментального образца устройства с Д_у=600 мм.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводе, содержащее корпус, установленную в нем неподвижно гильзу с окнами, в которую помещена золотниковая втулка с окнами и с возможностью ее поворота вокруг оси с помощью приводного вала, выведенного за пределы корпуса, отличающееся тем, что гильза с окнами выполнена в виде кольцевой камеры с одним открытым торцом в сторону движения жидкости и окнами на внутренней стенке, при этом гильза вместе с золотниковой втулкой установлена соосно с трубопроводом, а по оси золотниковой втулки установлен дроссель с постоянным гидравлическим сопротивлением.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде неподвижной втулки, на внутренней поверхности которой установлены поперечные ребра, обеспечивающие заданное гидравлическое сопротивление.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приводной вал установлен по касательной к золотниковой втулке с возможностью осевого перемещения, при этом рабочий конец вала соединен с золотниковой втулкой с помощью кулисного механизма.

4. Устройство по п. 1 или 3, отличающееся тем, что на внешней поверхности золотниковой втулки выполнена вилка, в которой с обеспечением перемещения установлен "камень" кулисного механизма, в котором с возможностью качения закреплен рабочий конец приводного вала.

5. Устройство по п. 1, или 3, или 4, отличающееся тем, что приводной вал выполнен с участком резьбы в паре с приводной гайкой и шлицевым участком, предотвращающим вращение вала.

6. Устройство по п. 1, или 3, или 4, отличающееся тем, что со стороны входа потока жидкости на торце золотниковой втулки выполнен конфузор.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в кольцевой камере и золотниковой втулке окна выполнены в виде продольных щелей, расположенных с равным угловым шагом по окружности.

8. Устройство по п. 1 или 7, отличающееся тем, что наружная и внутренняя стенки кольцевой камеры соединены радиальными ребрами, равномерно расположенными по окружности.

9. Устройство по п. 1, или 2, или 6, или 7, отличающееся тем, что начало наружной поверхности от торца дросселя плавно соединено с концом внутренней поверхности стенки золотниковой втулки с помощью обтекателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4