Уравновешенный вставной клапан
Группа изобретений относится к области автоматики и предназначена для использования в промышленных и жилищных применениях для контроля давления текучей среды за клапаном. Клапан регулирования давления содержит уравновешенный вставной клапан. Уравновешенный вставной клапан имеет фиксатор с центральным каналом. В центральном канале расположены седло клапана и стержень клапана, которые взаимодействуют для открытия и закрытия клапана. Один конец центрального канала закрыт торцевой заглушкой, которая содержит глухой канал для приема части стержня клапана. Давление текучей среды за клапаном передается в глухой канал через полую часть стержня клапана, что приводит к уравновешиванию стержня клапана в фиксаторе. Имеются конструктивный вариант выполнения уравновешенного вставного клапана и способ преобразования неуравновешенного клапана в уравновешенный клапан. Группа изобретений направлена на повышение срока службы, надежности и точности срабатывания клапана. 3 н. и17 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом относится к уравновешенным клапанам регулирования давления и, в частности, к уравновешенному вставному клапану, который можно устанавливать в корпус уравновешенного или неуравновешенного клапана регулирования давления.
Уровень техники
Клапаны регулирования давления используются в огромном количестве промышленных и жилищных применений для контроля давления текучей среды за клапаном. Например, в установках для химической переработки или на нефтеперерабатывающих заводах клапаны регулирования давления используются для управления текущей средой с целью компенсации повышения или понижения расхода или других изменений нагрузки, благодаря чему поддерживается регулируемое давление текучей среды. Аналогичным образом, клапаны регулирования давления могут использоваться в водопроводной арматуре для поддержания заданного давления текучей среды, которое автоматически регулируется согласно изменениям расхода, например, это могут быть клапаны, предотвращающие ошпаривание, в душевых или водопроводных кранах. Управляя давлением за клапаном, клапаны регулирования давления компенсируют изменения в расходе за клапаном. Например, при увеличении расхода за клапаном клапаны регулирования давления открываются, чтобы увеличить поток текучей среды через клапан, благодаря чему поддерживается относительно постоянное давление за клапаном. С другой стороны, при понижении расхода за клапаном клапаны регулирования давления закрываются для уменьшения потока текучей среды через клапан, благодаря чему поддерживается относительно постоянное давление за клапаном.
Клапаны регулирования давления можно разделить на уравновешенные и неуравновешенные. Неуравновешенные клапаны обычно имеют входящую текучую среду с высоким давлением на одной стороне стержня клапана и выходящую текучую среду с низким давлением на другой стороне стержня клапана. Неуравновешенные клапаны страдают от нежелательного эффекта, известного как падение входных характеристик. Падение входных характеристик - это явление, при котором неуравновешенный клапан обусловливает непреднамеренное увеличение давления за клапаном при понижении давления перед клапаном. Данный эффект является нежелательным, т.к. в основном клапаны регулирования давления предназначены для поддержания постоянного давления за клапаном. Падение входных характеристик связано с воздействием текучей среды на сторону высокого давления стержня клапана, из-за чего он стремится перейти в закрытое положение. В результате, клапан должен иметь некоторый механизм для противодействия такому воздействию текучей среды на стержень клапана. Т.к. механизм, противодействующий воздействию текучей среды, обычно имеет уставку, то сила, производимая им, постоянна, в то время как воздействие текучей среды на входной стороне стержня клапана может меняться (например, из-за уменьшения подачи текучей среды или из-за изменений давления перед клапаном). Падение входных характеристик особенно важно для применений, которые имеют ограниченный источник сжатой текучей среды, такой как газовые баллоны, трубные прицепы или универсальные превентеры фирмы «Хайдрил», т.к. в таких применениях подача входной текучей среды фиксирована, а значит давление входящей текучей среды уменьшается при уменьшении подачи.
Неуравновешенные клапаны также страдают от повреждений седла клапана. В неуравновешенных клапанах с высоким входным давлением давление текучей среды, воздействующее на большие отверстия клапанов, могже разрушить седло клапана. В результате, неуравновешенные клапаны не очень подходят для применений с высокими давлениями и большими отверстиями.
Один из способов минимизировать падение входных характеристик - это минимизировать разницу между входным и выходным давлениями. Поэтому многоступенчатые неуравновешенные регуляторы давления, каждая ступень которых только понижает давление на небольшую величину, незначительно влияют на падение входных характеристик. Многоступенчатые неуравновешенные регуляторы давления обычно хорошо подходят для применений с относительно низким расходом.
Для устранения падения входных характеристик в применениях с высокими расходами были разработаны уравновешенные клапаны регулирования давления. В уравновешенном клапане часть давления за клапаном отводится для воздействия на часть стержня клапана, находящуюся под действием давления перед клапаном. Таким образом, стержень клапана «уравновешивается» благодаря одинаковому давлению текучей среды, действующему на обе части стержня клапана. При этом падение входных характеристик устраняется (или значительно понижается), т.к. не существует разницы между силами, действующими на поверхности стержня клапана со стороны давления перед и за седлом клапана, которые приводят к смещению стержня в закрытое положение. Другими словами, сам стержень клапана производит очень малую или вообще не производит силу открытия/закрытия, обусловленную давлением текучей среды.
Недавно были разработаны некоторые неуравновешенные клапаны регулирования давления, которые содержат вставной клапан. Вставной клапан может быть подузлом клапана. Также вставной клапан может устанавливаться в корпус неуравновешенного клапана как узел. Некоторые неуравновешенные вставные клапаны содержат стержень клапана, седло клапана, фиксирующий корпус и фильтр на стороне высокого давления стержня клапана. Т.к. текучая среда, текущая через неуравновешенный вставной клапан, фильтруется, то может быть продлен срок службы неуравновешенного вставного клапана, а также повышена его надежность и точность. Несмотря на то, что такие вставные клапаны имеют повышенные удобство монтажа и срок службы, они ограничиваются использованием для неуравновешенных редукционных клапанов из-за производственных и финансовых ограничений.
Раскрытие изобретения
Редукционный клапан содержит уравновешенный вставной клапан. Уравновешенный вставной клапан имеет фиксатор с центральным каналом. В центральном канале расположены седло и стержень клапана, которые взаимодействуют для открытия и закрытия клапана. Один конец центрального канала закрыт торцевой заглушкой, которая содержит глухой канал для приема части стержня клапана. Давление текучей среды за клапаном передается в глухой канал через полую часть стержня клапана, что приводит к уравновешиванию стержня клапана в фиксаторе.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет вид в поперечном разрезе редукционного клапана с уравновешенным вставным клапаном, созданным в соответствии с описанием изобретения;
Фиг.2 представляет увеличенный вид в поперечном разрезе уравновешенного вставного клапана, изображенного на Фиг.2; и
Фиг.3 представляет вид в поперечном разрезе альтернативного варианта реализации уравновешенного вставного клапана, созданного в соответствии с описанием изобретения.
Поскольку изобретение может быть реализовано в различных вариантах и альтернативных конструкциях, то некоторые варианты реализации изображены на чертежах и будут описаны далее более подробно. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными приведенными формами, а напротив включает все изменения, альтернативные конструкции и эквивалентны, соответствующие сущности и объему изобретения.
Осуществление изобретения
Согласно чертежу, приведенному на Фиг.1, редукционный клапан в общем обозначается номером 20. Редукционный клапан 20 включает корпус клапана 22, имеющий вход для текучей среды 24 и выход для текучей среды 26. Корпус клапана 22 в одном варианте реализации может содержать типичный неуравновешенный вставной клапан (не показан). Колпак 28 содержит пружину нагрузки 30 и механизм регулировки уставки 32. Уравновешенный вставной клапан 40 расположен в корпусе клапана 22 между входом для текучей среды 24 и выходом для текучей среды 26 и служит для регулирования давления текучей среды за клапаном.
Клапан 20 включает диафрагму 50, ответственную за давление за клапаном в камере 52. Диафрагма 50 может двигаться в колпаке 28. На Фиг.1 диафрагма 50 может двигаться вверх и вниз и расположена в положении, в котором сила, действующая на диафрагму 50 со стороны давления выходящей текучей среды в камере 52, уравновешена силой, действующей на диафрагму со стороны пружины нагрузки 30. Диафрагма 50 может быть поддержана и/или укреплена при помощи пластины диафрагмы 54. Пластина диафрагмы 54 одновременно поддерживает диафрагму 50 и действует в качестве механизма передачи усилия от пружины нагрузки 30 на диафрагму 50. Пружина нагрузки 30 расположена между пластиной диафрагмы 54 и кнопкой пружины 56. Регулировочный винт 58 располагается в отверстии 60 колпака 28. Регулировочный винт 58 можно смещать в отверстии 60 таким образом, чтобы один конец регулировочного винта 58 упирался в кнопку пружины 56. Движение регулировочного винта приводит к изменению положения кнопки пружины 56 в колпаке 28, благодаря чему можно изменять упругое усилие, действующее на пластину диафрагмы 54 со стороны пружины нагрузки 30. Таким образом, можно регулировать уставку редукционного клапана 20.
Для облегчения регулировки регулировочного винта 58 он может быть подключен к ручке 61 при помощи вкладыша ручки 62 и гайки 64. Доступ к гайке 64 может быть осуществлен через отверстие 66 в ручке 61, которое может быть закрыто заглушкой 68.
Как видно из Фиг.2, уравновешенный вставной клапан 40 содержит фиксатор 70, имеющий вход для текучей среды 72, выход для текучей среды 74 и центральный канал 75, включающий первый конец 77 и второй конец 79. Фиксатор 70 может содержать отверстие 76, противоположное выходу для текучей среды 74. Торцевая заглушка 78 может закрывать (и дополнительно герметизировать) отверстие 76. Торцевая заглушка 78 может содержать глухой канал 80, открытый по направлению к выходу для текучей среды 74. Торцевая заглушка 78 также может содержать резьбовую часть 82, взаимодействующую с резьбовой частью 83 на внутренней поверхности фиксатора 70, для закрепления торцевой заглушки 78 над отверстием 76. В качестве альтернативного варианта, торцевая заглушка 78 может быть запрессована в фиксатор 70.
Седло клапана 84 может располагаться в фиксаторе 70 возле выхода для текучей среды 74. Стержень клапана 86 располагается в фиксаторе 70 и может двигаться в центральном канале 75 для взаимодействия с седлом клапана 84 с целью регулирования потока текучей среды через выход для текучей среды 74. Стержень клапана 86 содержит шток 88, взаимодействующий с диафрагмой 50 (Фиг.1) для установки стержня клапана 86 в фиксаторе 70. Пружина 90 расположена между стержнем клапана 86 и торцевой заглушкой 78 и предназначена для перевода стержня клапана 86 в закрытое положение. При необходимости, напротив торцевой заглушки 78 может быть установлена шайба 82, которая служит седлом для одного конца пружины 90 и в качестве защиты и поддержки одного или более уплотнения 102. Противоположный конец пружины 90 может упираться в плечо 94 стержня клапана 86. Стержень клапана 86 может содержать полую центральную часть 96 и угловую выпускную часть 98. Угловая выпускная часть 98 имеет вход со стороны за седлом клапана 84 и выход, соединенный с полой центральной частью 96. В свою очередь, полая центральная часть 96 имеет вход, соединенный с выходом угловой выпускной части 98, и выход, который выпускает давление за клапаном в полость 100, расположенную между стержнем клапана 86 и торцевой заглушкой 78. Угловая выпускная часть 98 и полая центральная часть 96 позволяют передать давление за клапаном в полость 100 в торцевой заглушке 78, образованную глухим каналом 80 и стрежнем клапана 86. Таким образом, стержень клапана 86 становится стержнем уравновешенного клапана, что приводит к понижению или устранению падения входных характеристик и уменьшению воздействия на седло клапана 84 со стороны входного давления.
Полость 100 может быть герметизирована по отношению к входному давлению при помощи одной или более прокладок 102, таких как уплотнительные кольца, расположенные в кольцевой выемке 103 в глухом канале 80. Аналогично, фиксатор может быть герметизирован по отношению к корпусу клапана при помощи одной или более прокладок 104, таких как уплотнительные кольца. Конечно, можно использовать любое другое известное уплотнение в зависимости от использования и требований к клапану 20.
В фиксаторе 70 между внутренней поверхностью фиксатора и стержнем клапана 86 могут быть расположены средства уплотнения, такие как фильтр 110. Фильтр 110 может быть закреплен в фиксаторе 70 между торцевой заглушкой 78 и седлом клапана 84. Внутренняя поверхность фиксатора 70 может содержать первую часть 120 и вторую часть 122. Первая часть 120 имеет меньший диаметр, чем вторая часть 122, так что между фильтром 110 и второй частью 122 образуется зазор 124, при этом фильтр 110 удерживается на месте первой частью 120. Текучая среда может протекать через зазор 124 вдоль фильтра 110, что увеличивает площадь фильтра 110, доступную для протекания сквозь него текучей среды.
В результате стержень клапана 86, седло клапана 84 и пружина 90 защищаются от загрязнений и примесей при помощи фильтра 110. Это повышает срок службы и точность редукционного клапана 20.
Фильтр 110 также сжимает и уплотняет седло клапана 84 по отношению к внутренней поверхности фиксатора 70. В результате между седлом клапана 84 и фиксатором 70 не пропускается входящая текучая среда. Возможны и другие средства уплотнения седла клапана 84 по отношению к фиксатору 70, включая, но не ограничиваясь этим, использование отдельной детали (не показана) для уплотнения седла клапана 84 и установку фиксатора седла (не показан) между седлом клапана 84 и фиксатором 70.
В альтернативном варианте реализации, показанном на Фиг.3, стержень клапана 86 содержит полый шток 88. Шток 88 также может содержать отверстие 89. Давление выходящей текучей среды может пропускаться через отверстие 89 в полый шток 88 и, наконец, через стрежень клапана 86 в полость 100.
В отличие от неуравновешенных вставных клапанов известного уровня техники, уравновешенные вставные клапаны настоящего изобретения могут быть установлены в корпус типичного неуравновешенного клапана. Это повышает эффективность производства и работы в сфере логистики, т.к. один и тот же корпус клапана можно изменить от неуравновешенного типа клапана до уравновешенного типа клапана просто за счет замены вставного клапана.
В одном варианте реализации, неуравновешенный клапан регулирования давления может быть превращен в уравновешенный клапан регулирования давления за счет: 1) изъятия из корпуса клапана неуравновешенного вставного клапана и 2) вставки в корпус клапана уравновешенного вставного клапана в соответствии с настоящим изобретением.
Из вышесказанного любой специалист в данной области техники легко поймет, что, используя описание настоящего изобретения, можно создать клапан регулирования давления со съемным уравновешенным вставным клапаном. Более того, можно быстро и легко изменять клапан регулирования давления от неуравновешенного типа до уравновешенного типа.
1. Клапан регулирования давления, содержащий:
корпус клапана, имеющий вход и выход для текучей среды;
уравновешенный вставной клапан, расположенный в корпусе клапана между входом и выходом для текучей среды и содержащий:
фиксатор, имеющий центральный канал, включающий первый и второй концы, внутреннюю поверхность и, по меньшей мере, одно отверстие во внутренней поверхности, формирующее вход для текучей среды;
седло клапана, расположенное в центральном канале возле первого конца центрального канала;
подвижный стержень клапана, по меньшей мере, частично расположенный в центральном канале, при этом подвижный стержень клапана выборочно открывает и закрывает первый конец центрального канала за счет скользящего перемещения внутри него и взаимодействия с седлом клапана и имеет полую центральную часть;
фильтр, расположенный между внутренней поверхностью центрального канала и стержнем клапана; и
торцевую заглушку, расположенную на втором конце центрального канала, закрывающую второй конец центрального канала, содержащую глухой канал, направленный к стержню клапана и принимающий один конец стержня клапана таким образом, что в глухой канал поступает текучая среда со стороны за седлом клапана через полую центральную часть стержня клапана;
при этом торцевая заглушка закрывает второй конец центрального канала и включает фильтр для седла клапана, закрепляя фильтр в центральном канале и удерживая фильтр и стержень клапана между торцевой заглушкой и фиксатором, а также уплотняя седло клапана по отношению к фиксатору.
2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит колпак, прикрепленный к корпусу клапана и содержащий диафрагму и пружину нагрузки.
3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что диафрагма взаимодействует с пружиной для установки положения подвижного стержня клапана в фиксаторе.
4. Клапан по п.2, отличающийся тем, что уставка клапана регулирования давления регулируется при помощи изменения упругой силы пружины.
5. Уравновешенный вставной клапан, содержащий:
фиксатор, имеющий центральный канал, включающий первый и второй концы, внутреннюю поверхность и, по меньшей, мере одно отверстие во внутренней поверхности, формирующее вход для текучей среды;
седло клапана, расположенное в центральном канале возле первого конца центрального канала;
подвижный стержень клапана, по меньшей мере, частично расположенный в центральном канале, при этом подвижный стержень клапана выборочно открывает и закрывает первый конец центрального канала за счет перемещения внутри него для взаимодействия с седлом клапана и имеет полую центральную часть;
средства уплотнения, расположенные между внутренней поверхностью центрального канала и стержнем клапана; и
торцевую заглушку, расположенную на втором конце центрального канала, закрывающую второй конец центрального канала, содержащую глухой канал, направленный к стержню клапана и принимающий один конец стержня клапана таким образом, что в глухой канал поступает текучая среда со стороны за седлом клапана через полую центральную часть стержня клапана;
при этом торцевая заглушка закрывает второй конец центрального канала и включает фильтр для седла клапана, закрепляя фильтр в центральном канале и удерживая фильтр и стержень клапана между торцевой заглушкой и фиксатором.
6. Клапан по п.5, отличающийся тем, что дополнительно содержит удерживаемую торцевой заглушкой пружину, толкающую стержень клапана к седлу клапана.
7. Клапан по п.6, отличающийся тем, что дополнительно содержит шайбу, установленную между пружиной и торцевой заглушкой.
8. Клапан по п.5, отличающийся тем, что глухой канал включает кольцевую выемку возле открытого конца глухого канала.
9. Клапан по п.8, отличающийся тем, что в кольцевой выемке установлено уплотнение, удерживаемое между торцевой заглушкой и стержнем клапана.
10. Клапан по п.5, отличающийся тем, что внешняя поверхность торцевой заглушки содержит резьбовую часть, при этом резьбовая часть торцевой заглушки взаимодействует с резьбовой частью на внутренней поверхности фиксатора для закрепления на нем торцевой заглушки.
11. Клапан по п.5, отличающийся тем, что дополнительно содержит шток клапана, прикрепленный к первому концу стержня клапана и выходящий за первый конец центрального канала на сторону за седлом клапана.
12. Клапан по п.11, отличающийся тем, что полая центральная часть стержня клапана входит в седло клапана.
13. Клапан по п.5, отличающийся тем, что полая центральная часть стержня клапана соединена с угловой выпускной частью, которая взаимодействует с полой центральной частью для подачи текучей среды в глухой канал со стороны за седлом клапана.
14. Клапан по п.5, отличающийся тем, что внутренняя поверхность центрального канала содержит первую и вторую части, при этом первая часть имеет меньший диаметр, чем вторая
15. Клапан по п.14, отличающийся тем, что уплотнение расположено сразу возле первой части внутренней поверхности центрального канала, а вторая часть внутренней поверхности центрального канала образует кольцевое пространство между фильтром и внутренней поверхностью центрального канала.
16. Клапан по п.5, отличающийся тем, что нижняя торцевая заглушка впрессована в фиксатор.
17. Способ преобразования неуравновешенного клапана в уравновешенный клапан, включающий:
получение неуравновешенного клапана, содержащего корпус клапана и неуравновешенный вставной клапан;
создание уравновешенного вставного клапана, содержащего:
фиксатор, имеющий центральный канал, включающий первый и второй концы, внутреннюю поверхность и, по меньшей мере, одно отверстие во внутренней поверхности, формирующее вход для текучей среды;
седло клапана, расположенное в центральном канале возле первого конца центрального канала;
подвижный стержень клапана, по меньшей мере, частично расположенный в центральном канале, при этом подвижный стержень клапана выборочно открывает и закрывает первый конец центрального канала за счет скользящего перемещения внутри него и взаимодействия с седлом клапана и имеет полую центральную часть;
средства уплотнения, расположенные между внутренней поверхностью центрального канала и стержнем клапана; и
торцевую заглушку, расположенную на втором конце центрального канала, закрывающую второй конец центрального канала, и содержащую глухой канал, направленный к стержню клапана, при этом глухой канал принимает один конец стержня клапана таким образом, что в глухой канал поступает текучая среда со стороны за седлом клапана через полую центральную часть стержня клапана;
при этом торцевая заглушка закрывает второй конец центрального канала и включает фильтр для седла клапана, закрепляя фильтр в центральном канале и удерживая фильтр и стержень клапана между торцевой заглушкой и фиксатором;
изъятие из корпуса клапана неуравновешенного вставного клапана; и
вставку в корпус клапана уравновешенного вставного клапана.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что этап вставки уравновешенного вставного клапана дополнительно включает вкручивание внешней поверхности торцевой заглушки в фиксатор.
19. Способ по п.17, отличающийся тем, что дополнительно включает этап отвода давления за клапаном через полую центральную часть подвижного стержня клапана в глухой канал торцевой заглушки.
20. Способ по п.17, отличающийся тем, что дополнительно включает этап уплотнения кольцевого канала при помощи уплотнения, устанавливаемого в кольцевой выемке возле открытого конца глухого канала.
