Клапан

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводах, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды, в качестве запорного клапана или запорно-регулирующего клапана. Клапан содержит корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, разгруженный запорный элемент в виде плунжера. Плунжер установлен в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения относительно поверхности цилиндрического вкладыша, закрепленного в корпусе клапана. Для обеспечения герметичного перемещения плунжер имеет уплотнительные элементы. Плунжер соединен с приводом. В цилиндре вкладыша выполнены отверстия для соединения полостей входного и выходного отверстий клапана. Уплотнительные элементы выполнены в виде двух одинаковых сильфонов. Сильфоны установлены коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом. Нижняя часть нижнего сильфона герметично соединена с верхней частью вкладыша. Верхняя часть нижнего сильфона и нижняя часть верхнего сильфона герметично соединены с верхней частью плунжера. Верхняя часть верхнего сильфона герметично соединена с введенным в конструкцию фланцем, образуя единую выемную часть клапана. При открытом положении клапана нижний сильфон находится в разгруженном состоянии. Верхний сильфон сжат на величину рабочего хода клапана. Фланец герметично соединен с корпусом клапана. Изобретение направлено на обеспечение высокой герметичности относительно внешней среды при работе клапана в интервале рабочих температур от -260°С до 550°С. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводах, преимущественно, высокого давления при больших расходах рабочей среды, в качестве запорного клапана или запорно-регулирующего клапана.

Известен клапан (см. Д.Ф.Гуревич и др. Арматура ядерных энергетических установок. М.: Атомиздат, 1978, рис.3.25), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполнен в виде диска.

Недостатком данного клапана является необходимость приложения больших усилий к запорному элементу при его открытии или закрытии, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент.

Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и больших диаметральных габаритах пропускного сечения клапана, так как сила, действующая на клапан от давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально от указанных параметров. Другим существенным недостатком является неуравновешенность запорного элемента в высокоскоростном потоке рабочей среды, что сопровождается значительными вибрациями золотника, повышенным износом направляющих поверхностей и неустойчивостью в работе, особенно в запорно-регулирующем клапане.

Известны конструкции запорно-регулирующих клапанов фирмы "Фишер" (см. Д.Ф.Гуревич и др. Арматура ядерных энергетических установок. М.: Атомиздат, 1978, рис.4.6 стр.89). Проточная часть корпуса этого клапана выполнена в виде полого цилиндра с профилированными окнами. Поступательное перемещение полого цилиндрического плунжера внутри цилиндра корпуса регулирует расход рабочей среды. Отверстиями в верхней части плунжера он разгружен от статического давления, а тонкостенный корпус плунжера минимизирует гидродинамические усилия потока. Все это благоприятствует устойчивой работе клапана, уменьшает вибрацию затвора плунжера и существенно снижает усилие при регулировании и полном перекрытии потока. В этой конструкции герметизация плунжера относительно седла осуществляется набивочными уплотнительными кольцами по его наружному диаметру и посадкой плунжера на седло клапана. Основным недостатком данной конструкции является невозможность герметичности клапана в закрытом положении при температуре рабочей среды свыше 200°С. Уплотнительные набивочные кольца подвижных соединений могут быть герметичны только из материалов типа резины и фторопласта, применение которых и определяет указанный выше температурный предел.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, разгруженный запорный элемент, выполненный в виде плунжера, установленного в корпусе, с возможностью возвратно-поступательного движения относительно поверхности цилиндрического вкладыша, закрепленного в корпусе клапана, уплотнительные элементы, обеспечивающие герметичное перемещение плунжера, соединенного с приводом, при этом в цилиндре вкладыша выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полостей входного и выходного отверстий клапана (см. RU 2200265 С1 кл. F16K 3/24, 03.10.2003).

Недостатком данного технического решения является температурное ограничение использования клапана до 200°С рабочей среды.

Задачей изобретения является создание конструкции клапана с обеспечением надежной герметичности в закрытом положении при рабочих средах в интервале температур от -260°С до 550°С и герметичности относительно внешней среды.

Технический результат достигается за счет того, что уплотнительные элементы выполнены в виде двух одинаковых сильфонов, установленных коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом, нижняя часть нижнего сильфона герметично соединена с верхней частью вкладыша, верхняя часть нижнего сильфона и нижняя часть верхнего сильфона герметично соединены с верхней частью плунжера, верхняя часть верхнего сильфона герметично соединена с введенным в конструкцию фланцем, образуя единую выемную часть клапана, причем при открытом положении клапана нижний сильфон находится в разгруженном состоянии, верхний сильфон сжат на величину рабочего хода клапана, а фланец герметично соединен с корпусом клапана.

Крепление вкладыша с корпусом может быть выполнено в виде байонетного замка.

Вкладыш может быть выполнен из двух частей, одна из которых имеет форму грибка, верхняя часть которого герметично соединена с нижней частью нижнего сильфона, а нижняя часть грибка соединена с другой частью вкладыша с помощью байонетного замка, при этом нижняя часть другой части вкладыша неподвижно соединена с корпусом.

На фиг.1 изображен общий вид запорного клапана.

На фиг.2 изображен общий вид запорно-регулирующего клапана.

На фиг.3 изображен общий вид запорно-регулирующего клапана по п.3 формулы.

Запорный клапан содержит корпус 1 с выполненными в нем входным 2 и выходным 3 отверстиями. Корпус 1 имеет седло 4. Изображение выходного отверстия в нижней части корпуса является условным, так как клапан сохраняет работоспособность при любом положении выходного отверстия. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический вкладыш 5 с проточной полостью, имеющей, соответственно, входное 6 и выходное 7 отверстия. Уплотнительные элементы выполнены в виде двух одинаковых сильфонов 8, 9, установленных коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом. Нижняя часть нижнего сильфона 8 герметично соединена с верхней частью вкладыша 5, верхняя часть нижнего сильфона 8 и нижняя часть верхнего сильфона 9 герметично соединены с втулкой 10, которая в свою очередь герметично соединена с плунжером 11 и ограничительным элементом 12. Втулка 10 соединена со штоком 13 и приводом (на фиг.1 не показан). Верхняя часть верхнего сильфона 9 герметично соединена с фланцем 14, при этом фланец 14 герметично соединен с корпусом 1 клапана. Вкладыш 5 соединен с корпусом с помощью байонетного замка 15. У клапана между штоком 13 и фланцем 14 может быть установлен сальник с мягкой набивкой 16. Элементы конструкции 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 образуют выемную часть клапана. Плунжер 11 контактирует своей внутренней поверхностью с вкладышем 5 и имеет на торце притертую уплотнительную поверхность. Между сильфоном 8 и плунжером 11 имеется полость А. Между сильфоном 9 и внутренней поверхностью корпуса 1 имеется полость Б. Герметизация конструкции выемной части клапана относительно корпуса 1 обеспечивается уплотнительным элементом 17, обжатым болтами 18 между фланцем 19 и корпусом 1.

Конструктивное отличие запорно-регулирующего клапана (см. фиг.2) от запорного состоит только в конструктивном различном исполнении вкладыша 5, который выполнен в виде втулки с многочисленными сквозными отверстиями различного сечения в проточной части, определяющими совместно с плунжером 11 регулирующую характеристику клапана.

На фиг.3 представлен запорно-регулирующий клапан, у которого вкладыш выполнен из двух частей, одна из которых имеет форму грибка 20, верхняя часть которого герметично соединена с нижней частью нижнего сильфона, а нижняя часть грибка соединена с другой частью вкладыша с помощью байонетного замка 21, при этом нижняя часть другой части вкладыша неподвижно соединена с корпусом.

Клапан работает следующим образом.

В открытом положении клапана плунжер 11 поднят вверх, сильфон 9 сжат и его сжатие определено жестким упором ограничительного элемента 12, сильфон 8 находится в свободном состоянии, полости А и Б находятся под давлением рабочей среды.

Плунжер 11 полностью разгружен от давления, шток привода воспринимает только незначительные усилия от сжатия сильфона 9. Основное усилие от давления рабочей среды воспринимает вкладыш, который через байонетный замок передает усилие на корпус клапана.

Это усилие F будет равно:

F=S₁×P_p,

где - эффективная площадь сильфона

Р_р - давление рабочей среды;

Д_ср - средний диаметр сильфона.

Усилие F₁ от рабочей среды на фланец 14 воспринимается элементами конструкции 1, 18, 19.

При перемещении штока 13 вниз, плунжер 11 перекрывает сечение входного отверстия корпуса 1, приближаясь к седлу.

В положение "закрыто" уплотнительная торцевая поверхность плунжера 11 поджата к уплотнительной поверхности седла 4 под действием усилия штока привода и усилия F₂, которое создает рабочее давление полости Б. Это усилие будет равно:

где Д_{ср. у} - средний диаметр уплотнительной поверхности.

Усилие F₁ будет направлено в противоположную сторону, то есть будет отжимать плунжер 11, в случае, когда направление рабочей среды в клапане изменится на противоположное. Что касается действий усилий F и F₁, они аналогичны открытому положению клапана.

Страховочный сальник 16 предусмотрен на случай прорыва сильфонов 8, 9. Поэтому при изготовлении клапана сальник поджимается с небольшим предварительным усилием и в процессе эксплуатации подтяжке не подлежит.

Опытное изготовление предлагаемой конструкции доказало ее эффективность.

Запорный клапан, управляемый существующими приводами малой мощности в автоматическом режиме, может использоваться как отсечной клапан. Закрытие клапана происходит за короткий промежуток времени, благодаря разгруженному плунжеру. Клапан обеспечивает высокую герметичность в затворе (класс А) и герметичность относительно внешней среды при работе в интервале рабочих температур от -260°С до 550°С.

Запорно-регулирующий клапан в отличие от существующих конструкций клеточного типа с разгруженным плунжером способен обеспечить в закрытом положении класс герметичности А и герметичность относительно внешней среды при работе в интервале рабочих температур от -260°С до 550°С.

1. Клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, разгруженный запорный элемент, выполненный в виде плунжера, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения относительно поверхности цилиндрического вкладыша, закрепленного в корпусе клапана, уплотнительные элементы, обеспечивающие герметичное перемещение плунжера, соединенного с приводом, при этом в цилиндре вкладыша выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полостей входного и выходного отверстий клапана, отличающийся тем, что уплотнительные элементы выполнены в виде двух одинаковых сильфонов, установленных коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом, нижняя часть нижнего сильфона герметично соединена с верхней частью вкладыша, верхняя часть нижнего сильфона и нижняя часть верхнего сильфона герметично соединены с верхней частью плунжера, верхняя часть верхнего сильфона герметично соединена с введенным в конструкцию фланцем, образуя единую выемную часть клапана, причем при открытом положении клапана нижний сильфон находится в разгруженном состоянии, верхний сильфон сжат на величину рабочего хода клапана, а фланец герметично соединен с корпусом клапана.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что крепление вкладыша с корпусом выполнено в виде байонетного замка.

3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен из двух частей, одна из которых имеет форму грибка, верхняя часть которого герметично соединена с нижней частью нижнего сильфона, а нижняя часть грибка соединена с другой частью вкладыша с помощью байонетного замка, при этом нижняя часть другой части вкладыша неподвижно соединена с корпусом.