РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН Российский патент 1995 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в системах управления режимом работы тепловых электростанций.

В настоящее время в различных областях энергомашиностроения в системах питания используются рециркуляционные клапаны, осуществляющие перепуск рабочей среды из полости высокого давления в полость низкого давления, обеспечивая нормальную нагрузку указанных систем. Известен предназначенный для этой цели клапан [1] , содержащий корпус (клапанная коробка) с запорным органом, взаимодействующим с седлом, и подводящий трубопровод, отделенный от клапанной коробки диффузорным переходом. Поскольку на запорный орган в данном устройстве воздействует весь перепад давления, срабатываемый на клапане, для управления им необходимы достаточно большие мощности.

Основной особенностью функционирования рассматриваемого класса арматуры является срабатывание высоких перепадов давления, что обычно приводит к вибрациям, пульсациям потока, эрозии запорного органа, резко снижает ресурс работы клапана. Для устранения вибраций и повышения надежности в ряде конструкций применяется многоступенчатое дросселирование [2] (клапан, содержащий корпус с перемещающимся в нем запорным органом, выполненным в виде центрированного в седле плунжера, в теле которого имеются продольные пазы переменного сечения). Решения такого типа, однако, сложны конструктивно и недостаточно эффективны в плане обеспечения равномерного распределения гидравлического сопротивления по ступеням.

Известен клапан, в котором в целях снижения гидравлического удара и улучшения кавитационной характеристики истечения потока при открытии клапана зона выходного канала, непосредственно примыкающая к седлу, выполнена в виде вихревой камеры, в которую проток от седла направлен по касательной к стенке вихревой камеры, ось которой перекрещивается в пространстве с осью указанного протока [3]. При подаче напряжения к обмотке электромагнита якорь через шток отводит запорный орган от седла и рабочая среда под давление устремляется по каналу, выполненному тангенциально, в вихревую камеру, создавая вихрь, уменьшающий скорость нарастания давления в выходном канале.

Недостатком данного клапана является необходимость использования достаточно мощных электромагнитов, так как для его открытия следует преодолеть усилие F= =P_вхS_c (S_c - площадь седла клапана; Р_вх - давление рабочей среды). При уровне давлений в десятки МПа и диаметрах седла 20-30 мм данные усилия превышают сотни килограмм. Кроме того, установка вихревой камеры за седлом снижает эффект дросселирования, поскольку при этом шток, управляющий положением запорного органа, размещается в ее полости, что приводит к уменьшению момента количества движения потока на входе в камеру.

Целью изобретения является снижение мощности привода и повышение эффекта дросселирования.

Цель достигается тем, что рециркуляционный клапан, содержащий корпус с вихревой камерой, выполненной с входным каналом и выходным соплом, запорный орган, размещенный во входной полости корпуса, седло, привод управления, например электромагнитный, патрубки подвода и отвода рабочей среды, снабжен связанным с приводом управления пилотным клапаном и установленным перед входным каналом вихревой камеры конфузором, при этом запорный орган выполнен в виде нагруженного пружиной поршня с полым штоком, установленным с возможностью взаимодействия с седлом, размещенным в конфузоре, в корпусе выполнен канал, сообщающий подпоршневую полость поршня с входной полостью корпуса, а в цилиндрической стенке полого штока выполнено дроссельное отверстие, сообщающее подпоршневую полость поршня с полостью штока, причем пилотный клапан установлен с возможностью перекрытия упомянутого канала корпуса, а на торцовой поверхности поршня выполнены отверстия, соединяющие полость поршня с полостью пружины. В клапане за выходным соплом вихревой камеры установлена дополнительная вихревая камера, образованная двумя коаксиальными втулками, одна из которых выполнена в виде выходного патрубка с размещенным в нем дополнительным выходным соплом, а другая выполнена с тангенциальными каналами и хвостовиком в виде крестовины, расположенным в выходном патрубке. При этом пилотный клапан снабжен шариковым замком, управляемым дополнительным электромагнитом. Для повышения работоспособности рециркуляционный клапан снабжен второй дополнительной вихревой камерой, расположенной на конце штока поршня, обращенного в сторону конфузора, при этом входной канал второй дополнительной вихревой камеры соединен с входной полостью корпуса, а ее выходное сопло образовано кольцевым зазором между корпусом и штоком. Повышение стабильности работы клапана обеспечивается тем, что в дополнительной вихревой камере соосно с выходным соплом установлен центральный стержень, а во втулке с тангенциальными каналами выполнена расточка для размещения упомянутого центрального стержня.

Конструктивные особенности клапана позволяют достичь нужного технического результата вследствие того, что введена гидравлическая разгрузка запорного органа, управление его перемещением осуществляется за счет энергии рабочей среды; выполнена защита кромки запорного органа, взаимодействующей с седлом, обтекающим ее циркуляционным потоком, а кавитационная характеристика истечения улучшена на счет установки за выходным соплом дополнительной вихревой камеры, частично совмещенной с выходным патрубком, и центрального стержня, входящего в расточку втулки. В совокупности это обеспечивает стабильное истечение потока под высоким перепадом давления при отсутствии эрозии материала запорного органа и малых усилиях на управление.

На фиг. 1 представлен предложенный рециркуляционный клапан, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Клапан содержит корпус 1, вихревую камеру 2, запорный орган 3 (нагруженный пружиной поршень со штоком), седло 4, конфузор 5, входной тангенциальный канал 6 вихревой камеры, полость 7 поршня со стороны штока, входную полость 8 клапана, дроссельное отверстие 9, пилотный клапан 10, шариковый замок 11, привод 12 управления (электромагнит), пружинную полость 13 поршня, отверстия 14, выходное сопло 15, дополнительную вихревую камеру 16, втулку 17, выходной патрубок 18, хвостовик 19, вторую дополнительную вихревую камеру 20, центральный стержень 21, подпоршневую полость 22, патрубок 23 подвода рабочей среды.

В корпусе 1, содержащем вихревую камеру 2, установлен запорный орган - нагруженный пружиной поршень 3 со штоком, взаимодействующий с седлом 4. Седло размещено в конфузоре 5, выполненном перед входным тангенциальным каналом 6 вихревой камеры. Полость 7 поршня со стороны штока соединена с входной полостью клапана 8 последовательно через дроссельное отверстие 9 в цилиндрической стенке штока и пилотный клапан 10, который снабжен шариковым замком 11, срабатываемым под воздействием привода 12 управления (электромагнита). Пружинная полость 13 соединена с полостью штока отверстиями 14.

За выходным соплом 15 вихревой камеры выполнена дополнительная вихревая камера 16, входные тангенциальные каналы которой размещены во втулке 17, фиксируемой в заданном положении выходным патрубком 18. Втулка 17 снабжена хвостовиком 19 в виде крестовины, расположенной в сопловой части выходного патрубка. В корпусе клапана в месте расположения штока поршня 3 выполнена вторая дополнительная вихревая камера 20, тангенциальные каналы которой соединены с входом клапана. Основная вихревая камера снабжена центральным стержнем 21, проходящим через ее сопло в полость дополнительной камеры. Устройство содержит подпоршневую полость 22 и патрубок 23 подвода рабочей среды.

Работа рециркуляционного клапана происходит следующим образом.

В исходном положении клапан закрыт. При подаче напряжения на электромагнит срабатывает пилотный клапан 10 и рабочая среда с входа через клапан и дроссельное отверстие 9 поступает в вихревую камеру 2. Под действием перепада давления поршень 3 перемещается в сторону открытия, а пилотный клапан 10 фиксируется в заданном положении шариковым замком 11. В открытом положении поршень удерживается перепадом давления между подпоршевой 22 и пружинной 13 полостями поршня. При подаче напряжения на электромагнит 12 пилотный клапан 10 снимается с шарикового замка и перекрывает поступление рабочей среды к дроссельному отверстию 9. Давление в подпоршневой и пружинной полостях поршня выравнивается и под действием пружины и гидродинамических сил шток поршня перекрывает проходное сечение клапана.

При движении штока как в сторону открытия, так и в сторону закрытия его кромка обтекается циркуляционным потоком, формируемым второй дополнительной вихревой камерой 20, входной тангенциальный канал которой соединен с входом в клапан. Это позволяет исключить срыв высокоскоростного потока с дросселирующей кромки, повысить стабильность функционирования клапана и ресурс его работы. Наличие шарикового замка обеспечивает возможность включения привода управления пилотным клапаном лишь на короткое время, что повышает надежность устройства. Дополнительная вихревая камера 16 содержит в сопле выходного патрубка 18 крестовину 19, сопротивление которой потоку с центробежной составляющей скорости на 10-15% выше, чем чисто осевому потоку. В результате возрастает общее гидродинамическое сопротивление истечению рабочей среды, что позволяет не только увеличить проходные сечения клапана, но и улучшить его кавитационные характеристики. В значительной мере стабилизации истечения жидкости через клапан способствует и центральный стержень 21, исключающий появление в приосевой зоне потока кавитационного пузыря из-за падения в этой области статического давления ввиду больших значений тангенциальной составляющей скорости.

Использование: в системах управления режимом работы тепловых электростанций. Сущность изобретения: вихревая камера корпуса выполнена с входным каналом и выходным соплом. Запорный орган размещен во входной полости корпуса. С приводом управления связан пилотный клапан. Перед входным каналом установлен конфузор. Запорный орган выполнен в виде нагруженного пружиной поршня с полым штоком, установленным с возможностью взаимодействия с седлом, размещенным в конфузоре. В корпусе выполнен канал, сообщающий полость поршня с входной полостью корпуса. В цилиндрической стенке полого штока выполнено дроссельное отверстие, сообщающее подпоршневую полость поршня с полостью штока. Пилотный клапан установлен с возможностью перекрытия канала корпуса. На торцовой поверхности поршня выполнены отверстия, соединяющие полость поршня с полостью пружины. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус с вихревой камерой, выполненной с входным каналом и выходным соплом, запорный орган, размещенный во входной полости корпуса, седло, привод управления, например электромагнитный, патрубки подвода и отвода рабочей среды, отличающийся тем, что он снабжен связанным с приводом управления пилотным клапаном и установленным перед входным каналом вихревой камеры конфузором, при этом запорный орган выполнен в виде нагруженного пружиной поршня с полым штоком, установленным с возможностью взаимодействия с седлом, размещенным в конфузоре, в корпусе выполнен канал, сообщающий подпоршневую полость поршня с входной полостью корпуса, а в цилиндрической стенке полого штока выполнено дроссельное отверстие, сообщающее подпоршневую полость поршня с полостью штока, причем пилотный клапан установлен с возможностью перекрытия упомянутого канала корпуса, а на торцевой поверхности поршня выполнены отверстия, соединяющие полость поршня с полостью пружины. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в нем за выходным соплом вихревой камеры установлена дополнительная вихревая камера, образованная двумя коаксиальными втулками, одна из которых выполнена в виде выходного патрубка с размещенным в нем дополнительным выходным соплом, а другая выполнена с тангенциальными каналами и хвостовиком в виде крестовины, расположенным в выходном патрубке. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что пилотный клапан снабжен шариковым замком, управляемым дополнительным электромагнитом. 4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что он снабжен второй дополнительной вихревой камерой, расположенной на конце штока поршня, обращенного в сторону конфузора, при этом входной канал второй дополнительной вихревой камеры соединен с входной полостью корпуса, а ее выходное сопло образовано кольцевым зазором между корпусом и штоком. 5. Клапан по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в дополнительной вихревой камере соосно с выходным соплом установлен центральный стержень, а во втулке с тангенциальными каналами выполнена расточка для размещения упомянутого центрального стержня.