Запорно-регулирующий прямоточный кран

 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к трубопроводному арматуростроению, и предназначено для использования в инженерных сооружениях и сетях транспортирования жидких и газообразных сред, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных. Запорно-регулирующий прямоточный кран содержит корпус и размещенные в нем уплотнительный блок, приводное и стопорное устройства. Корпус выполнен составным из двух деталей, пустотелым, в виде тела вращения, имеющего цилиндрическую и боковые поверхности. В цилиндрической поверхности выполнена радиальная прорезь, в боковых - проходные отверстия для рабочей среды. Уплотнительный блок состоит, по меньшей мере, из двух упругих уплотнительных колец и пакета дисков. В последних выполнены проходные отверстия для рабочей среды. Один из дисков установлен неподвижно. Другой диск установлен с возможностью поворота для обеспечения регулирования расхода рабочей среды. Приводное устройство выполнено в виде соединенного с поворотным диском кольцевого элемента с ручкой, проходящей наружу через радиальную прорезь. Стопорное устройство выполнено, например, штифтовым и смонтировано на деталях корпуса. Он снабжен дополнительным уплотнительным блоком, состоящим, по меньшей мере, из двух упругих уплотнительных колец и пакета из подвижного и неподвижного дисков. Кольцевой элемент выполнен в виде обоймы с центральной осью вращения и проходными отверстиями для рабочей среды. В каждой детали корпуса вдоль продольной оси крана выполнена цилиндрическая глухая выемка для установки в них оси вращения обоймы. Основной и дополнительный уплотнительные блоки расположены между соответствующими боковыми поверхностями деталей корпуса и обоймы. В основном уплотнительном блоке выполнено сквозное центральное отверстие для прохождения оси вращения обоймы. Стопорное устройство смонтировано в месте сочленения деталей корпуса для обеспечения их взаимного осевого перемещения и предотвращения взаимного тангенциального перемещения. Проходные отверстия для рабочей среды в дисках основного уплотнительного блока и в обойме равны по количеству и взаимно соответствуют по конфигурации. Изобретение направлено на снижение управляющего усилия при упрощении конструкции прямоточного крана, расширение его функциональных возможностей и области применения при сохранении удобства эксплуатации, надежности и долговечности. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к трубопроводному арматуростроению, и может быть использовано в инженерных сооружениях и сетях транспортирования жидких и газообразных сред, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных, где возникает необходимость перекрытия и регулирования их потоков.

Широкое распространение запорно-регулирующих кранов, в которых поток рабочей среды движется прямолинейно вдоль оси, обусловлено их низким гидросопротивлением, простотой и надежностью.

Известна конструкция запорно-регулирующего устройства, содержащего цилиндрический корпус, полость которого разделена седлом на две камеры. В полости второй камеры за первым седлом по ходу потока установлены второй поворотный золотник и второе седло. Второй поворотный золотник выполнен с проходными отверстиями и индивидуальным механизмом управления. Второе седло выполнено с проходными отверстиями. Между первым золотником и первым седлом установлен со щелевым зазором упорный подшипник качения [1].

Устройство обеспечивает надежное перекрытие потока рабочей среды под большим давлением за счет наличия и последовательного срабатывания двух золотников. Однако его конструкция достаточно сложна и требует строгого соблюдения очередности действий при управлении потоком рабочей среды, что усложняет устройство в эксплуатации.

Известен запорный кран, включающий корпус с затвором в виде контактирующих между собой трех керамических дисков, крышку, завинчиваемую в корпус и сжимающую керамические диски, и уплотнительные прокладки. Два крайних из дисков закреплены неподвижно и снабжены фиксаторами положения. Средний диск установлен с возможностью поворота и соединен с приводной рукояткой. Последняя выходит наружу корпуса через прорезь. Уплотнительные прокладки установлены между крайними дисками, корпусом и крышкой. В дисках выполнены центральные отверстия для размещения в них оси и сквозные окна в виде секторов для прохода среды. На подвижном диске выполнен радиально расположенный хвостовик. В зоне прорези корпуса на его наружной цилиндрической поверхности выполнена кольцевая проточка [2]. Конструкция крана характеризуется малыми габаритными размерами, позволяет упростить процессы его монтажа и демонтажа и уменьшить потери давления при течении среды через него при полностью открытых рабочих окнах и надежно защищает уплотнительный блок от внешних воздействий.

Однако конструктивные особенности указанного крана невозможно применить для больших проходных сечений, поскольку резьбовое соединение корпуса и крышки при его увеличении становится ненадежным, громоздким и излишне материалоемким.

Известный по [3] запорно-регулирующий прямоточный кран отличается от [2] наличием стяжного устройства вместо резьбы при соединении деталей корпуса. Кран не исключает его использование в трубопроводах с большим диаметром. Однако его эксплуатация в системах с повышенным давлением рабочей среды сопряжена с трудностями, вызванными увеличением нагрузки на элементы затвора и особенно на средний поворотный диск. При этом возникновение даже незначительных деформаций неизбежно ведет к потере герметичности, заклиниванию привода и разрушению затвора крана.

Известен запорно-регулирующий прямоточный кран одностороннего действия, содержащий корпус и размещенные в нем уплотнительный блок, приводное и стопорное устройства, при этом корпус выполнен составным из двух деталей, пустотелым, в виде тела вращения, имеющего цилиндрическую и боковые поверхности, причем в цилиндрической поверхности выполнена радиальная прорезь, а в боковых - проходные отверстия для рабочей среды, уплотнительный блок состоит, по меньшей мере, из двух упругих уплотнительных колец и пакета дисков, в которых выполнены проходные отверстия для рабочей среды, причем один из дисков установлен неподвижно, а другой - с возможностью поворота для обеспечения регулирования расхода рабочей среды, приводное устройство выполнено в виде соединенного с поворотным диском кольцевого элемента с ручкой, проходящей наружу через радиальную прорезь, а стопорное устройство выполнено, например, штифтовым и смонтировано на деталях корпуса [4].

Такая конструкция крана достаточно проста и обеспечивает его хорошие массогабаритные характеристики, высокую надежность, технологичность в изготовлении, монтаже и обслуживании. Данное известное техническое решение принято в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог.

К недостаткам прототипа следует отнести наличие в нем специального стяжного устройства, которое выполняет свои ограниченные функции лишь до того момента, когда кран устанавливают между фланцами трубопровода, т.е. до начала его эксплуатации. После того как кран смонтирован в месте его работы, роль стяжного устройства полностью переходит к болтам стандартного фланцевого соединения, и необходимость в самом стяжном устройстве отпадает. Выполнение корпуса крана из трех составных частей с присутствием в нем кольцевой детали в виде самостоятельного элемента также не оправдано с точки зрения упрощения конструкции. В конструкции прототипа обосновано отсутствие свободной центральной оси (стержня), связывающего между собой диски затвора и опирающейся на них. Это позволяет частично разгрузить диски, однако при этом задача соосного вращения элементов затвора относительно корпуса и друг друга при минимизации величины управляющего усилия до конца не решена. Эта задача тем более актуальна, чем больше габариты крана. Кроме того, при увеличении размеров дисков существенно возрастает трудоемкость их изготовления.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в снижении управляющего усилия при упрощении конструкции и сохранении всех положительных свойств прототипа.

В конечном итоге указанный технический результат обеспечивает в предлагаемом кране расширение его функциональных возможностей и области применения при сохранении удобства эксплуатации, надежности и долговечности.

Достижение указанного положительного технического результата реализуется в конструкции запорно-регулирующего прямоточного крана, который содержит корпус и размещенные в нем уплотнительный блок, приводное и стопорное устройства. Корпус крана выполнен составным из двух деталей, пустотелым, в виде тела вращения, имеющего цилиндрическую и боковые поверхности, причем в цилиндрической поверхности выполнена радиальная прорезь, а в боковых - проходные отверстия для рабочей среды. Уплотнительный блок состоит, по меньшей мере, из двух упругих уплотнительных колец и пакета дисков, в которых выполнены проходные отверстия для рабочей среды, причем один из дисков установлен неподвижно, а другой - с возможностью поворота для обеспечения регулирования расхода рабочей среды. Приводное устройство выполнено в виде соединенного с поворотным диском кольцевого элемента с ручкой, проходящей наружу через радиальную прорезь, а стопорное устройство выполнено, например, штифтовым и смонтировано на деталях корпуса. Кран снабжен дополнительным уплотнительным блоком, состоящим, по меньшей мере, из двух упругих уплотнительных колец и пакета из подвижного и неподвижного дисков. Кольцевой элемент выполнен в виде обоймы с центральной осью вращения и проходными отверстиями для рабочей среды. В каждой детали корпуса вдоль продольной оси крана выполнена цилиндрическая глухая выемка для установки в них оси вращения обоймы. Основной и дополнительный уплотнительные блоки расположены между соответствующими боковыми поверхностями деталей корпуса и обоймы, причем в основном уплотнительном блоке выполнено сквозное центральное отверстие для прохождения оси вращения обоймы. Стопорное устройство смонтировано в месте сочленения деталей корпуса для обеспечения их взаимного осевого перемещения и предотвращения взаимного тангенциального перемещения. Проходные отверстия для рабочей среды в дисках основного уплотнительного блока и в обойме равны по количеству и взаимно соответствуют по конфигурации. Для упрощения конструкции корпус крана изготавливают из деталей, одна из которых заключает в себе цилиндрическую и боковую поверхности, а другая - только боковую. Основной и дополнительный уплотнительные блоки могут быть смонтированы в деталях корпуса и на обойме посредством шлицевого соединения. Количество упругих уплотнительных колец основного уплотнительного блока и материал, из которого они изготовлены, могут быть самым разнообразным и зависеть от параметров транспортируемой рабочей среды. Каждое упругое уплотнительное кольцо основного уплотнительного блока может быть выполнено в виде прокладки с проходными отверстиями для рабочей среды, при этом количество и конфигурация последних, а также и проходных отверстий для рабочей среды в смежной боковой поверхности корпуса соответствуют проходным отверстиям в дисках. Количество равноудаленных друг от друга проходных отверстий для рабочей среды в каждом диске основного уплотнительного блока может быть ограничено числом шесть, а их размеры площадью соответствующего сегмента. Сами диски основного уплотнительного блока могут быть выполнены разрезными, состоящими, например, из одинаковых секторов.

Предпочтительным является вариант исполнения крана, в котором дополнительный уплотнительный блок идентичен основному и расположен таким образом, что является его зеркальным отражением относительно плоскости вращения приводного устройства. Но возможен также вариант исполнения крана, в котором дополнительный уплотнительный блок размещен в кольцевой проточке, которая выполнена в детали корпуса и обойме, при этом диски дополнительного уплотнительного блока выполнены кольцевыми, а возможно и разрезными, состоящими из одинаковых секторов.

Обойма приводного устройства вместе с осью ее вращения выполнена в виде похожей на барабан вращения единой детали, которая установлена в выемках деталей корпуса, выполняющих функцию ступиц. Внешняя цилиндрическая поверхность обоймы не взаимодействует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, как это имеет место в прототипе. Таким образом, удается не только резко снизить величину управляющего усилия, но и разгрузить от его воздействия диски уплотнительного блока, при этом уменьшается вероятность заклинивания приводного устройства.

Поскольку количество и конфигурация проходных отверстий для рабочей среды в дисках основного уплотнительного блока и в обойме взаимно соответствуют, поворотный диск всей своей торцевой поверхностью надежно опирается через упругое уплотнительное кольцо на обойму. В результате этого давление рабочей среды, особенно в момент перекрытия крана, воспринимается обоймой, а не диском, прочность которого ограничена и уступает прочности обоймы. Такую же роль дополнительной опоры, только для неподвижного диска, играет смежная боковая поверхность корпуса, количество и конфигурация проходных отверстий для рабочей среды в которой соответствуют проходным отверстиям в неподвижном диске.

Важнейшей технической характеристикой любого запорно-регулирующего крана является его приспособленность к функционированию в условиях изменения направления потока рабочей среды, или, иными словами, двусторонность его действия. Двусторонние краны не нуждаются в однозначной ориентации при их монтаже в трубопроводе, имеют расширенную область применения и более надежны в эксплуатации.

Для обеспечения двусторонности действия запорно-регулирующего прямоточного крана он оснащен дополнительным уплотнительным блоком, который идентичен основному и является его зеркальным отражением. При этом проходные отверстия для рабочей среды во всех элементах крана образуют систему единых перекрываемый каналов, поскольку их количество и конфигурация взаимно соответствуют друг другу. Такая конструкция крана одинаково надежно работает независимо от направления движения потока рабочей среды. Дополнительный уплотнительный блок повышает плотность и плавность перекрытия потока, предотвращает утечки рабочей среды через зазоры в корпусе, облегчает вращение обоймы.

Количество проходных отверстий для рабочей среды в каждом диске уплотнительного блока принципиально может быть любым и определяется компоновочной схемой крана. Чем больше количество проходных отверстий, тем меньше длина радиальной прорези и полный угол поворота ручки приводного устройства. Однако для определенного типоразмера крана существует предельное число проходных отверстий, реализация которых технически возможна. Проработка компоновочных схем кранов в диапазоне типоразмеров их реального применения показала, что при увеличении количества проходных отверстий более шести возникает резкое снижение пропускной способности крана. Это происходит потому, что площадь каждого проходного отверстия должна быть меньше площади соответствующего сегмента, образуемого углом поворота ручки. Размеры проходных отверстий и их взаимное положение на отдельно взятом диске могут быть различными, однако для обеспечения максимальной пропускной способности крана необходимо, чтобы размеры всех проходных отверстий в диске были максимальными, а значит одинаковыми, а сами проходные отверстия были бы равноудалены друг от друга.

Для изготовления дисков уплотнительных блоков может быть использован широкий спектр материалов, в том числе и на основе керамики. Специфической особенностью изготовления керамических дисков является их высокая трудоемкость и стоимость при увеличении размеров. Выполнение дисков разрезными, состоящими, например, из одинаковых секторов, позволяет формовать каждый сектор отдельно, а потом составлять из них диск. Такая технология позволяет уменьшить размеры формуемых и обрабатываемых заготовок.

В случае, когда кран предполагается использовать в щадящих условиях, диски дополнительного уплотнительного блока могут быть выполнены кольцевыми, а сам блок размещен в специальной кольцевой проточке, которая выполнена в детали корпуса и обойме. При этом кран в основном сохраняет все свои преимущества, но функционирует в другом диапазоне рабочего давления и имеет предпочтительное направление потока рабочей среды. Кольцевые диски дополнительного уплотнительного блока могут быть выполнены разрезными, состоящими из одинаковых секторов, исходя из тех же соображений снижения их стоимости.

Предлагаемое техническое решение иллюстрировано чертежами.

На фиг. 1 изображен в разрезе общий вид запорно-регулирующего прямоточного крана с идентичными уплотнительными блоками; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрезной диск уплотнительного блока, состоящий из трех одинаковых секторов; на фиг. 4 - общий вид запорно-регулирующего прямоточного крана с кольцевыми дисками дополнительного уплотнительного блока; на фиг. 5 - кольцевой диск дополнительного уплотнительного блока, выполненный разрезным, состоящим из трех одинаковых секторов.

Запорно-регулирующий прямоточный кран содержит корпус, который выполнен составным из двух деталей 1 и 2. Деталь 1 заключает в себе цилиндрическую и боковую поверхности, а деталь 2 - только боковую. Детали 1 и 2 соединены между собой стопорным устройством, состоящим, например, из двух штифтов 3. Основной уплотнительный блок состоит из упругих уплотнительных колец 4 и 5 и подвижного 6 и неподвижного 7 дисков. Дополнительный уплотнительный блок также состоит из упругих уплотнительных колец 8 и 9 и подвижного 10 и неподвижного 11 дисков. Приводное устройство состоит из ручки 12, проходящей через радиальную прорезь 13 в цилиндрической поверхности детали 1, и кольцевого элемента, который выполнен в виде обоймы 14. В деталях 1 и 2 корпуса имеются выемки 15 в форме ступиц для установки в них оси 16 обоймы 14. В боковой поверхности детали 1 корпуса выполнены проходные отверстия 17 для рабочей среды, в боковой поверхности детали 2 корпуса - 18, в обойме 14 - 19, в упругих уплотнительных кольцах 4, 5, 8, 9 соответственно - 20, 21, 22, 23, в дисках 6, 7, 10, 11 - 24, 25, 26, 27. Все элементы основного и дополнительного уплотнительных блоков имеют сквозное центральное отверстие 28 и установлены соответственно в деталях 1 и 2 корпуса и в обойме 14 посредством шлицевого соединения 29, которое предотвращает их проворачивание. В детали 1 корпуса и обойме 14 может быть выполнена кольцевая проточка 30, в которой размещен дополнительный уплотнительный блок, диски 10 и 11 которого выполнены кольцевыми. Диски 6, 7, 10 и 11 могут быть выполнены разрезными, состоящими из одинаковых секторов 31, а кольцевые диски 10 и 11 - из секторов 32. Кран монтируется между фланцами 33 трубопровода, стягиваемыми болтами 34 (изображены контурно, поскольку не являются элементами крана).

Функционирование запорно-регулирующего прямоточного крана осуществляется следующим образом.

Кран может быть полностью открыт, полностью закрыт или в промежуточном состоянии, когда происходит регулирование потока рабочей среды.

Воздействие управляющего усилия на ручку 12 приводит к повороту обоймы 14 и подвижных дисков 6 и 10 с проходными отверстиями 19, 24, 25 для рабочей среды относительно неподвижных дисков 7 и 11. Фиксирование ручки 12 в одном из возможных положений приводит к установлению определенного проходного сечения и расхода рабочей среды.

В полностью открытом состоянии крана (фиг. 1, 2 и 4) все проходные отверстия 17-27 для рабочей среды совмещены и расход максимален. При этом ручка 12 находится в крайнем положении радиальной прорези 13. При повороте на 60° в другое крайнее положение ручка 12 упирается в противоположный конец радиальной прорези 13 и кран переходит в полностью закрытое состояние. В промежуточных положениях ручки 12 площадь проходного сечения крана меньше, чем в полностью открытом состоянии. Таким образом осуществляется регулирование потока рабочей среды. Герметичность перекрытия крана обеспечивается плотным прилеганием дисков 6, 7, и 10, 11 друг к другу. Когда диски 6, 7, 10, 11 выполнены разрезными из секторов 31 или 32, герметичность линий разреза обеспечивается тем, что в процессе работы крана линии разреза смежных дисков никогда не совмещаются.

Сборка крана не требует специальной квалификации, поскольку все элементы уплотнительных блоков благодаря шлицевому соединению 29 исключают их неоднозначную установку. Штифты 3 стопорного устройства обеспечивают центрирование и взаимное осевое перемещение деталей 1 и 2 и предотвращают их взаимное тангенциального перемещение. Окончательно кран является установленным, когда он помещен между фланцами 33 трубопровода и обжат с помощью стяжных болтов 34.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Патент РФ № 2089772, кл. F 16 К 3/08, 1994 г.

2. Патент РФ № 2149302, кл. F 16 К 3/08, 1997 г.

3. Патент DE № 4335142, кл. F 16 К 3/08, 1997 г.

4. Патент РФ № 2153114, кл. F 16 К 3/08, 1998 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Запорно-регулирующий прямоточный кран, содержащий корпус и размещенные в нем уплотнительный блок, приводное и стопорное устройства, при этом корпус выполнен составным из двух деталей, пустотелым, в виде тела вращения, имеющего цилиндрическую и боковые поверхности, причем в цилиндрической поверхности выполнена радиальная прорезь, а в боковых - проходные отверстия для рабочей среды, уплотнительный блок состоит по меньшей мере из двух упругих уплотнительных колец и пакета дисков, в которых выполнены проходные отверстия для рабочей среды, причем один из дисков установлен неподвижно, а другой с возможностью поворота для обеспечения регулирования расхода рабочей среды, приводное устройство выполнено в виде соединенного с поворотным диском кольцевого элемента с ручкой, проходящей наружу через радиальную прорезь, а стопорное устройство выполнено, например, штифтовым и смонтировано на деталях корпуса, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным уплотнительным блоком, состоящим по меньшей мере из двух упругих уплотнительных колец и пакета из подвижного и неподвижного дисков, кольцевой элемент выполнен в виде обоймы с центральной осью вращения и проходными отверстиями для рабочей среды, в каждой детали корпуса вдоль продольной оси крана выполнена цилиндрическая глухая выемка для установки в них оси вращения обоймы, основной и дополнительный уплотнительные блоки расположены между соответствующими боковыми поверхностями деталей корпуса и обоймы, причем в основном уплотнительном блоке выполнено сквозное центральное отверстие для прохождения оси вращения обоймы, стопорное устройство смонтировано в месте сочленения деталей корпуса для обеспечения их взаимного осевого перемещения и предотвращения взаимного тангенциального перемещения, проходные отверстия для рабочей среды в дисках основного уплотнительного блока и в обойме равны по количеству и взаимно соответствуют по конфигурации.

2. Кран по п.1, отличающийся тем, что одна из деталей, составляющих корпус, заключает в себе цилиндрическую и боковую поверхности, а другая - только боковую.

3. Кран по п.2, отличающийся тем, что основной и дополнительный уплотнительные блоки смонтированы в деталях корпуса и на обойме посредством шлицевого соединения.

4. Кран по п.2, отличающийся тем, что в упругом уплотнительном кольце основного уплотнительного блока, примыкающем к подвижному диску, выполнены проходные отверстия для рабочей среды, количество которых равно, а конфигурация соответствует проходным отверстиям в подвижном диске.

5. Кран по п.4, отличающийся тем, что в упругом уплотнительном кольце основного уплотнительного блока, примыкающем к неподвижному диску, выполнены проходные отверстия для рабочей среды, при этом количество и конфигурация последних, а также и проходных отверстий для рабочей среды в смежной боковой поверхности корпуса соответствуют проходным отверстиям в неподвижном диске основного уплотнительного блока.

6. Кран по п.5, отличающийся тем, что в каждом диске основного уплотнительного блока выполнены не более шести равноудаленных друг от друга проходных отверстия для рабочей среды, каждое из которых ограничено площадью соответствующего сегмента.

7. Кран по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что диски основного уплотнительного блока выполнены разрезными, состоящими, например, из одинаковых секторов.

8. Кран по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что дополнительный уплотнительный блок идентичен основному и расположен таким образом, что является его зеркальным отражением относительно плоскости вращения приводного устройства.

9. Кран по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что диски дополнительного уплотнительного блока выполнены кольцевыми.

10. Кран по п.9, отличающийся тем, что в детали корпуса и обойме выполнена кольцевая проточка для размещения дополнительного уплотнительного блока.

11. Кран по п.9 или 10, отличающийся тем, что диски дополнительного уплотнительного блока выполнены разрезными, состоящими из одинаковых секторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5