Клапан
Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к клапанам, в том числе с электромагнитными приводами, и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды. Клапан содержит корпус с герметично закрепленным внутри корпуса кольцевым седлом. Это седло герметично охватывает часть боковой поверхности вкладыша. Вкладыш выполнен с расположенным внутри корпуса первым уплотнением вблизи первой торцевой поверхности вкладыша. Вкладыш выполнен с охватываемым кольцевым седлом и сквозным первым отверстием. Это отверстие используется в качестве выходного отверстия клапана, одна из кромок которого расположена между первым уплотнением и кольцевым седлом. В корпусе выполнено второе отверстие, используемое в качестве входного отверстия клапана, и третье отверстие, выполненное с расположенным в нем вторым уплотнением, охватывающим часть приводной втулки, соединенной с приводом. Привод обеспечивает возвратно-поступательное перемещение приводной втулки. Эта втулка выполнена с первым участком с постоянным внешним поперечным сечением, на поверхности которого расположено второе уплотнение, и вторым участком с постоянным внутренним поперечным сечением. Имеется прикрепленный к первой торцевой поверхности вкладыша шток. На штоке закреплено третье уплотнение, охватываемое вторым участком вкладыша. Приводная втулка со стороны второго участка с постоянным внутренним поперечным сечением прикреплена к дну стакана с внешней стороны дна стакана. Дно стакана выполнено со сквозными отверстиями. Внутренняя поверхность боковых стенок стакана, охватывающая первое уплотнение, выполнена с постоянным внутренним поперечным сечением. Кромка боковых стенок стакана имеет форму, соответствующую форме кольцевого седла с обеспечением герметичного контакта указанной кромки и кольцевого седла. Площадь участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внутренней поверхностью широкой части приводной втулки, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки. Стакан и приводная втулка выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения. Изобретение направлено на повышение надежности работы клапана и на снижение сил трения в процессе работы клапана. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к клапанам, в том числе с электромагнитными приводами, и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды.
Известен клапан (см. RU 2163318 С1, кл. F 16 К 1/12, 20.02.2001), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде диска.
Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу при отпирании и запирании больших усилий, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент. Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и/или больших подачах, так как сила, действующая на клапан под действием давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально давлению и площади запорного элемента.
Известен клапан (см. RU 2159857 С2, кл. F 01 L 7/04, 27.11.2000) золотникового типа, содержащий цилиндрический запорный элемент, перекрывающий выходные отверстия. В указанной конструкции клапана не требуется приложение значительных механических усилий при отпирании и запирании клапана.
Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения полной герметичности клапана в закрытом положении, кроме того, герметичность клапана значительно снижается при уменьшении качества обработки сопрягающихся элементов клапана.
Известен клапан (см. SU 93019 А, кл. F 16 К 41/04, 07.12.1961), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, запорный элемент, соединенный с приводом, и уплотнительные узлы, при этом в корпусе установлен жестко связанный с седлом цилиндрический вкладыш с перепускным отверстием, а запорный элемент выполнен в виде полой втулки, установленной с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль внешней поверхности цилиндрического вкладыша.
Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу значительной силы при отпирании и запирании клапана, так как силы, приложенные к запорному элементу, сформированные давлением рабочей среды в известной конструкции, не уравновешены. Указанное обстоятельство может также приводить к тому, что в системах, в которых используется известный клапан, могут возникать автоколебания при работе в режиме малых расходов. Такие автоколебания, проявляющиеся в виде "стука" или "гудения" клапана, приводят к возникновению в системе гидравлических ударов и в ряде случаев способны привести к разрушению системы.
Наиболее близким к заявленному является клапан (пат. РФ №2200265, кл. F 16 К 3/24 от 03.2003 г.).
Известный клапан позволяет снизить усилия, необходимые для перемещения запорного элемента, с одновременным повышением устойчивости работы, так как в гидравлической системе, в которой установлен клапан, отсутствуют условия для возникновения автоколебаний при отпирании и запирании клапана. В клапане совмещаются преимущества тарельчатого и золотникового клапанов, то есть обеспечивается повышенная герметичность клапана в закрытом положении одновременно с ликвидацией сил, действующих на привод запорного элемента в результате влияния давления рабочей среды. Кроме того, клапан не требует повышенной точности обработки деталей для обеспечения его нормальной работы в связи с наличием в нем уплотнительных элементов, а также в связи с тем, что герметичность клапана в закрытом положении обеспечивается за счет приработки седла клапана и нижней кромки запорного элемента.
Недостатком известного клапана является то, что при больших давлениях рабочей среды необходимая для работы клапана сила прижима уплотнения к рабочим элемента клапана значительно возрастает, что обусловливает возникновение значительных сил трения, для преодоления которых требуется приложение, соответственно, значительных усилий со стороны привода клапана.
Технический результат заключается в снижении сил трения, возникающих в процессе работы клапана, с одновременным снижением износа уплотнений в массовом выражении, снижением стоимости уплотнений и повышением надежности работы клапана, так как при использовании клапана уменьшается площадь уплотнений, необходимых для работы.
Технический результат достигается за счет того, что клапан содержит корпус с герметично закрепленным внутри корпуса кольцевым седлом, герметично охватывающим часть боковой поверхности вкладыша, выполненного с расположенным внутри корпуса первым уплотнением вблизи первой торцевой поверхности вкладыша, выполненного с охватываемым кольцевым седлом и используемым в качестве выходного отверстия клапана сквозным первым отверстием, одна из кромок которого расположена между первым уплотнением и кольцевым седлом, причем в корпусе выполнено второе отверстие, используемое в качестве входного отверстия клапана, и третье отверстие, выполненное с расположенным в нем вторым уплотнением, охватывающим часть приводной втулки, соединенной с приводом, обеспечивающим, по крайней мере, возвратно-поступательное перемещение приводной втулки, выполненной с первым участком с постоянным внешним поперечным сечением, на поверхности которого расположено второе уплотнение, и охватывающим третье уплотнение вторым участком с постоянным внутренним поперечным сечением, и прикрепленный к первой торцевой поверхности вкладыша шток, на котором закреплено третье уплотнение, причем приводная втулка со стороны второго участка с постоянным внутренним поперечным сечением прикреплена к дну стакана с внешней стороны дна стакана, дно которого выполнено со сквозными отверстиями, внутренняя поверхность боковых стенок стакана, охватывающая первое уплотнение, выполнена с постоянным внутренним поперечным сечением, а кромка боковых стенок стакана имеет форму, соответствующую форме кольцевого седла с обеспечением герметичного контакта указанной кромки и кольцевого седла, при этом площадь участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внутренней поверхностью широкой части приводной втулки, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки, а стакан и приводная втулка выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения.
В частном случае реализации, привод выполнен электромагнитным. В частном случае реализации, угол наклона приводной втулки к оси симметрии отверстий патрубков составляет 30-60°.
В частном случае реализации, между внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса сформирован, по крайней мере, один канал для перетока рабочей среды при перемещении вкладыша.
В частном случае реализации, внешняя поверхность широкой части приводной втулки выполнена с ребрами жесткости, расположенными с образованием каналов внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса для перетока рабочей среды.
В частном случае реализации, ребра жесткости расположены в виде спиралей. В частном случае реализации, контактная часть приводной втулки выполнена расположенной на плоскости, расположенной под острым углом к оси приводной втулки.
В частном случае реализации, широкая часть приводной втулки выполнена цилиндрической, а приводная втулка выполнена с обеспечением ее поворота на 180° вокруг оси цилиндра широкой части приводной втулки при продольном перемещении приводной втулки между крайними положениями.
В частном случае реализации, седло клапана выполнено эллиптическим.
В частном случае реализации, вкладыш выполнен пустотелым.
В частном случае реализации, в клапан введены два снабженных фланцами патрубка, герметично соединенных с корпусом клапана, отверстия в которых являются продолжениями входного и выходного отверстий соответственно.
В частном случае реализации, шток выполнен с продольным отверстием, сообщающимся в внутренней полостью вкладыша.
В частном случае реализации, третье уплотнение выполнено самоуплотняющимся при приближении кромки боковых стенок стакана к седлу клапана.
В частном случае реализации, площадь участка поперечного сечения стакана, ограниченная внутренней поверхностью стенок стакана, по крайней мере, в три раза меньше площади участка поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки.
На Фиг.1 представлен вид в разрезе клапана со стаканом, выполненным в виде правильного цилиндра.
На фиг.2 представлен разрез клапана со стаканом, выполненным в виде косого цилиндра.
Клапан содержит герметичный корпус 1 с герметично соединенными с ним входным 2 и выходным 3 патрубками. Указанные патрубки установлены в соответствующих отверстиях корпуса и могут быть снабжены фланцами. При этом отверстия в патрубках являются продолжениями входного и выходного отверстий соответственно за счет герметичного соединения патрубков с корпусом. Торец выходного патрубка 3 проходит через нижнюю часть корпуса и контактирует с внутренней поверхностью вставки, представляющей собой глухой трубопровод. Входной патрубок проходит через выполненное в корпусе второе отверстие, используемое в качестве входного отверстия клапана.
Приводная втулка 4 состоит из узкой концевой части и широкой концевой части. Втулка выполнена с расположенным на узкой концевой части первым участком с постоянным внешним поперечным сечением, на поверхности которого расположено второе уплотнение. Также втулка выполнена содержащей второй участок с постоянным внутренним поперечным сечением, расположенным на широкой концевой части и охватывающим шток 5 и третье уплотнение. Третье уплотнение может быть выполнено самоуплотняющимся при приближении кромки боковых стенок стакана к седлу клапана. Указанная особенность может быть реализована путем формирования внутри втулки кольцевого выступа, прижимающего уплотнение в крайнем положении и обеспечивающего дополнительную герметизацию. Второе уплотнение расположено в третьем отверстии корпуса и охватывает узкий участок приводной втулки, то есть участок, непосредственно соединенный с приводом. Кроме того, приводная втулка со стороны второго участка с постоянным внутренним поперечным сечением, то есть с противоположной от привода стороны, прикреплена к дну стакана 6 с внешней стороны дна стакана.
Для нормальной работы клапана площадь поперечного сечения широкой части приводной втулки, ограниченная внутренней поверхностью приводной втулки, должна быть приближенно равна площади поперечного сечения узкой части приводной втулки, ограниченной наружной поверхностью приводной втулки.
Поверхность стакана 6 охватывает первое уплотнение 81, выполненное со стороны первой торцевой поверхности вкладыша 11. Внутренняя поверхность боковых стенок стакана, охватывающая первое уплотнение 81, выполнена с постоянным внутренним поперечным сечением. Кроме того, к первой торцевой поверхности вкладыша прикреплен шток 5, на котором закреплено третье уплотнение 7. В частном случае реализации изобретения, вкладыш может быть выполнен пустотелым, а шток может быть выполнен с продольным отверстием, сообщающимся с внутренней полостью вкладыша.
Узкая часть приводной втулки 4 контактирует со вторым уплотнением 71, выполненным между приводной втулкой и корпусом. Внутри стакана 6 расположено охватываемое (второе) уплотнение 8, выполненное со стороны первой торцевой поверхности вкладыша. Стакан и приводная втулка выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения, в том числе, в частном случае, с возможностью вращения в процессе поступательного движения. Например, широкая часть приводной втулки может быть выполнена цилиндрической, а приводная втулка может быть выполнена с обеспечением ее поворота на 180° вокруг оси цилиндра широкой части приводной втулки при продольном перемещении приводной втулки между крайними положениями.
Приводная втулка 4 выполнена соединенной с приводом 9, обеспечивающим возможность ее перемещения. Привод 9 может быть выполнен, например, электромагнитным.
Внешняя поверхность вкладыша 11 является направляющей стакана 6. Кольцевое седло (далее - седло) 12 клапана выполнено кольцевым с обеспечением контакта нижней торцевой поверхности приводной втулки 4 с рабочей средой со стороны входного отверстия в закрытом положении клапана. Седло 12 клапана выполнено таким образом, что оно не пересекает границы отверстия, выполненного во вкладыше 11, и не создает в проточном трубопроводе турбулентных потоков. В частном случае, седло 12 может быть выполнено эллиптическим, что соответствует профилю цилиндрических патрубков 2 и 3. В закрытом положении клапана с рабочей средой контактирует практически вся нижняя торцевая поверхность стакана. При этом кромка боковых стенок стакана имеет форму соответствующую форме кольцевого седла 12 с обеспечением герметичного контакта указанной кромки и кольцевого седла. В частном случае, нижний торец стакана, контактирующий с седлом 12, выполнен в виде усеченного обратного конуса. Эксперименты показали, что клапан сохраняет работоспособность в том случае, если площадь поперечного сечения внутреннего пространства стакана без учета толщины ее стенок приближенно равна общей площади (т.е. площади с учетом толщины стенок и внутреннего пространства) поперечного сечения узкой части приводной втулки.
На седле 12 клапана может быть расположен выступ 13. Указанный выступ обеспечивает дополнительное повышение устойчивости работы и снижение продольных нагрузок на приводную втулку при работе клапана в режиме малых подач рабочей среды через проходное отверстие 14. Наклон стакана 6 к оси симметрии отверстий патрубков, составляющий 30-60°, обеспечивает возможность полного удаления приводной втулки 4 из проточной части клапана, за счет чего появляется возможность проведения работ по очистке проточного трубопровода, с помощью протягиваемого через трубопровод чистящего инструмента ("ерша"). При этом увеличивается допустимая скорость движения по трубопроводу рабочей среды, при которой поток рабочей среды имеет ламинарный характер, так как в предложенном клапане, при его полном открытии, отсутствуют элементы, выступающие из проточной части клапана. Для снижения динамических нагрузок на запирающую часть клапана и более плавного его закрытия на внешней поверхности стакана 6 выполнен канал 15 (фиг.2) для перетока рабочей среды между корпусом и приводной втулкой 4. Канал может быть образован ребрами жесткости 16, расположенными в виде спиралей. Также между внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса может быть дополнительно сформирован, по крайней мере, один канал для перетока рабочей среды при перемещении вкладыша. Указанный канал может быть выполнен путем формирования зазора между соответствующими поверхностями или путем формирования ребер жесткости на внешней поверхности широкой части приводной втулки, расположенных с образованием каналов между внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса. Вставка 18 представляет собой часть глухого трубопровода, имеет на цилиндрической поверхности проходное отверстие, в которое упирается торцевой частью патрубок 3, проходящий через используемое в качестве выходного отверстия - сквозное первое отверстие, выполненное в нижней части корпуса 1. При этом одна из кромок сквозного первого отверстия расположена между первым уплотнением и кольцевым седлом.
Площадь участка поперечного сечения стакана, ограниченная внутренней поверхностью стенок стакана, может быть в три раза меньше площади участка поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки.
Дренажное отверстие 19 разгружает стакан 6 от действия давления на перемещение.
Клапан работает следующим образом.
В открытом положении клапана приводная втулка 4 поднята вверх. При этом продольные силы, создаваемые давлением рабочей среды, например жидкости или газа, на верхнюю часть внешней поверхности стакана 6 и ее нижнюю торцевую часть уравновешивают друг друга, в связи с чем для фиксации приводной втулки 4 в указанном положении не требуется приложение силы со стороны привода. В указанном положении обеспечивается свободное протекание рабочей среды между входным и выходным отверстиями.
При запирании клапана привод 9 обеспечивает перемещение стакана 6 вниз. При этом, как было показано выше, давление рабочей среды не создает осевой силы, в связи с чем мощность, развиваемая приводом 9, тратится только на преодоление сил трения между приводной втулкой 4 и уплотнительными элементами, а дренажное отверстие 19 разгружает стакан 6 от действия давления. При перемещении приводной втулки 4 вниз обеспечивается постепенное перекрытие проходного отверстия 14 стаканом 6 и уменьшение проходного сечения клапана. В дальнейшем при прохождении нижней кромки стакана 6 верхней границы цилиндрического выступа 13 седла 12 клапана происходит практически полное перекрытие потока рабочей среды. При выполнении клапана без выступа на седле клапана, а также для повышения герметичности клапана, выполненного с указанным выступом, приводная втулка 4 перемещается вниз до соприкосновения нижней кромки стакана 6 с седлом 12 клапана, в результате чего происходит полное перекрытие потока рабочей среды. В связи с тем, что нижняя торцевая часть стакана 6 контактирует с седлом клапана по поверхности, имеющей относительно малую площадь, в закрытом положении клапана на стакан 6 и приводную втулку 4 практически не действует продольная сила, вызванная давлением рабочей среды, работа, совершаемая при открывании клапана, расходуется только на преодоление сил трения.
При выполнении стакана 6 в виде косого цилиндра (Фиг.2) приводная втулка в своем поступательном движении поворачивается на пол оборота вокруг продольной оси, за счет чего обеспечивается возможность полного открытия клапана при меньшем продольном ходе приводной втулки. При этом контактная часть приводной втулки, соприкасающаяся с седлом, может быть выполнена расположенной на плоскости, расположенной под острым углом к оси приводной втулки. Поворот приводной втулки в процессе поступательного движения может быть обеспечен путем выполнения на корпусе (или приводной втулке) выступа, взаимодействующего, в процессе перемещения приводной втулки со стенками винтовой канавки, выполненной на приводной втулке (или, соответственно, корпусе).
Важной особенностью клапана, конструкция которого позволяет уравновесить приводную втулку, является независимость мощности, необходимой для закрытия клапана с заданной скоростью от давления рабочей среды. В связи с этим клапан обеспечивает стабильность рабочих характеристик при любом давлении среды. При этом использование уплотнений, обеспечивающих герметичность клапана, контактирующих только с приводной втулкой, существенным образом снижает стоимость уплотнений и сил трения.
Конструкция предложенного клапана создает возможность очистки стенок проточного трубопровода от отложений, поскольку очистные элементы беспрепятственно перемещаются по внутренней поверхности трубопровода.
1. Клапан, содержащий корпус с герметично закрепленным внутри корпуса кольцевым седлом, герметично охватывающим часть боковой поверхности вкладыша, выполненного с расположенным внутри корпуса первым уплотнением вблизи первой торцевой поверхности вкладыша, выполненного с охватываемым кольцевым седлом и используемым в качестве выходного отверстия клапана сквозным первым отверстием, одна из кромок которого расположена между первым уплотнением и кольцевым седлом, причем в корпусе выполнено второе отверстие, используемое в качестве входного отверстия клапана, и третье отверстие, выполненное с расположенным в нем вторым уплотнением, охватывающим часть приводной втулки, соединенной с приводом, обеспечивающим, по крайней мере, возвратно-поступательное перемещение приводной втулки, выполненной с первым участком с постоянным внешним поперечным сечением, на поверхности которого расположено второе уплотнение, и охватывающим третье уплотнение вторым участком с постоянным внутренним поперечным сечением, и прикрепленный к первой торцевой поверхности вкладыша шток, на котором закреплено третье уплотнение, причем приводная втулка со стороны второго участка с постоянным внутренним поперечным сечением прикреплена к дну стакана с внешней стороны дна стакана, дно которого выполнено со сквозными отверстиями, внутренняя поверхность боковых стенок стакана, охватывающая первое уплотнение, выполнена с постоянным внутренним поперечным сечением, а кромка боковых стенок стакана имеет форму, соответствующую форме кольцевого седла, с обеспечением герметичного контакта указанной кромки и кольцевого седла, при этом площадь участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внутренней поверхностью широкой части приводной втулки, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки, а стакан и приводная втулка выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения.
2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что привод выполнен электромагнитным.
3. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол наклона приводной втулки к оси симметрии отверстий патрубков составляет 30-60°.
4. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что между внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса сформирован, по крайней мере, один канал для перетока рабочей среды при перемещении вкладыша.
5. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешняя поверхность широкой части приводной втулки выполнена с ребрами жесткости, расположенными с образованием каналов внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса для перетока рабочей среды.
6. Клапан по п.4, отличающийся тем, что внешняя поверхность широкой части приводной втулки выполнена с ребрами жесткости, расположенными с образованием каналов между внешней поверхностью широкой части приводной втулки и внутренней поверхностью корпуса для перетока рабочей среды.
7. Клапан по п.5, отличающийся тем, что ребра жесткости расположены в виде спиралей.
8. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что контактная часть приводной втулки выполнена на плоскости, расположенной под острым углом к оси приводной втулки.
9. Клапан по п.8, отличающийся тем, что широкая часть приводной втулки выполнена цилиндрической, а приводная втулка выполнена с обеспечением ее поворота на 180° вокруг оси цилиндра широкой части приводной втулки при продольном перемещении приводной втулки между крайними положениями.
10. Клапан по п.1, отличающийся тем, что седло клапана выполнено эллиптическим.
11. Клапан по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен пустотелым.
12. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в него введены два снабженных фланцами патрубка, герметично соединенных с корпусом клапана, отверстия в которых являются продолжениями входного и выходного отверстий соответственно.
13. Клапан по п.1, отличающийся тем, что шток выполнен с продольным отверстием, сообщающимся с внутренней полостью вкладыша.
14. Клапан по п.1, отличающийся тем, что третье уплотнение выполнено самоуплотняющимся при приближении кромки боковых стенок стакана к седлу клапана.
15. Клапан по п.1, отличающийся тем, что площадь участка поперечного сечения стакана, ограниченная внутренней поверхностью стенок стакана, по крайней мере, в три раза меньше площади участка поперечного сечения приводной втулки, ограниченного внешней поверхностью узкой части приводной втулки.
