КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ Российский патент 1997 года по МПК F16K3/02 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, преимущественно к 2-х позиционным ("открыто-закрыто") регулирующим клапанам с 2-х седельным регулирующим органом и тарельчатым затвором.

Регулирующие клапаны являются наиболее распространенным видом дроссельных регулирующих органов (РО). Известен двухседельный регулирующий клапан (см. например, справочное пособие "Наладки средств автоматизации и автоматических систем регулирования", УДК 681.515.001.41.1075.8, Энергоатомиздат, М. 1989, под ред. А.С.Клюева, с. 259). Этот клапан имеет корпус, 2 седла и 2-х дисковый затвор. Недостатком клапана является относительно большая негерметичность затвора (см. там же с. 259 правый столбец, строка 13 сверху). Это связано с тем, что при уплотнении затвора с седлом типа "Металл по металлу" в любом случае, при контакте двух цилиндров по торцам или двух конусов по образующим (см. там же с. 260 рис. 6, 8, а также строка 8 сверху, левый столбец) технологически очень трудно получить идеальную плоскостность затвора и седла, которые будут контактировать друг с другом без зазора при полном закрытии клапана. Такого беззазорного контакта не получается, и следовательно, не достигается необходимая герметичность.

Известен также двухпозиционный регулирующий орган с 2-х седельным регулирующим клапаном: задвижка с выдвижными шпинделем (УДК 621.646. (022) Д.Ф. Гуревич "Расчет и конструирование трубопроводной арматуры" "Машиностроение", Л. с. 47). Эта задвижка также имеет корпус, патрубки, 2 седла и 2 тарельчатых диска затвора.

Приведенные выше недостатки 2-х седельного регулирующего клапана в задвижке уменьшаются путем:
применения клинового корпуса затвора, это позволяет при значительных технологических погрешностях повысить герметичность РО за счет эффекта расклинивания затвора;
применения плавающего крепления затвора к шпинделю, это позволяет обеспечить самоустановку затвора по седлам и улучшить прилегание дисков к седлам, что также способствует повышению герметичности РО.

Недостатками клапана регулирующего, применяемого в задвижке, является то, что необходимая степень герметичности при полном закрытии задвижки достигается только путем использования в технологическом процессе трудоемких и технологически сложных операций притирки (обычно чугунный эксцентриковый реверсивный притир и притирочный абразивный порошок), слесарной подгонки и селективной сборки седели и дисков затвора. Особенно трудоемки эти операции при применении дисков и седел из труднообрабатываемых сплавов.

Однако и такой технологический процесс не позволяет стабильно обеспечивать многократное закрытие задвижки с необходимой степенью герметичности (например, для D_у 80 мм допустимая утечка должна быть не более 60 мл/ч при перепаде давлений 16 кгс/см², т.е. достаточно жесткая норма негерметичности), т. к. значительные усилия прижатия дисков затвора к седлам деформируют притертые поверхности (сминаются гребешки микронеровностей) и эксплуатационники вынуждены часто перепритирать уплотняющие поверхности для обеспечения работоспособности задвижки (регулирующего клапана).

А т.к. для эксплуатационников (особенно, если это небольшая организация) иметь специализированные притирочные станки накладно, то операция притирки седел и дисков производится вручную, что обуславливает значительные неудобства эксплуатации таких РО.

Таким образом, очевидно, что конструктивное исполнение регулирующего клапана аналога и прототипа предлагает наличие операции притирки седел и дисков затвора, слесарную их подгонку и селективную сборку (только этот диск затвора герметично закрывается только с этим седлом и никакой другой диск к этому седлу не подойдет), что определяет соответствующий уровень сложности технологического производства регулирующих клапанов с соответствующим влиянием этих факторов на себестоимость РО; кроме того, такое конструктивное исполнение обуславливает значительные трудности эксплуатации РО.

Задачей изобретения является частичное и полное устранение указанных недостатков путем применения нового конструктивного исполнения клапана регулирующего, позволяющего:
упростить техпроцесс изготовления, путем исключения операций притирки дисков затвора (убрать станки для притирки дисков) и селективной подборки дисков и седел и уменьшить слесарную доводку (подгонку) пар "седло-диск",
повысить эксплуатационную надежность (безотказность работы без ремонтов) клапана и РО в целом путем увеличений числа закрываний открываний РО до перепритирки пары "седло-диск", обеспечиванием герметичности клапана регулирующего при более низких, чем в прототипе, усилиях прижима диска к седлу (очень часто перепритирку необходимо делать уже после однократного закрытия РО), вследствие применения клапана с двойным (комбинированным) закрытием: "плоскость-плоскость" плюс ("сфера-конус"),
повысить эксплуатационную надежность клапана и РО в целом за счет обеспечения необходимой степени герметичности клапана регулирующего при многократных открываниях-закрываниях РО при более низких усилиях прижима в паре "седло-диск", (в контакте "плоскость-плоскость") путем самогерметизации клапана трансформирующейся мембраной, трансформация которой осуществляется статическим давлением рабочей среды (мембрана обуславливает появление новой, второй уплотняющей пары "сфера по конусу").

Технический результат достигается тем, что в клапане регулирующем двухседельным с односторонним уплотнением, содержащем корпус с установленными навстречу друг другу и закрепленными герметично на патрубках седлами, выполненными в виде колец прямоугольного сечения, запорный орган, установленный в корпусе с возможностью перемещения и двухпозиционного регулирования расхода рабочей среды и выполненный в виде двух дисков с прикрепленными к ним герметично уплотнительными кольцами, каждый диск со стороны, обращенной к седлу, выполнен с выемкой, диаметр которой меньше внутреннего диаметра седла, на каждом диске установлена трансформирующаяся давлением рабочей среды герметичная мембрана, закрывающая выемку, в каждом диске со стороны, противоположной седлу, выполнено отверстие, соединяющее выемку с полостью корпуса, а на седле по внутреннему диаметру выполнена коническая поверхность.

На фиг. 1 изображен клапан регулирующий, частичный; на фиг. 2 узел 1 на фиг. 1 (в увеличенном виде); на фиг. 3 известное исполнение узла 1.

Клапан регулирующий содержит корпус 1 с двумя седлами 2, установленными навстречу друг к другу и герметично закрепленными на патрубках 3. Седла 2 выполнены в виде колец прямоугольного сечения. Запорный орган 4 выполнен в виде двух дисков 5 с герметично прикрепленными к ним уплотнительными кольцами 6. Запорный орган 4 установлен в корпусе 1 с возможностью перемещения и двухпозиционного регулирования расхода рабочей среды. Каждый диск 5 со стороны, обращенной к седлу, выполнен с выемкой 7, диаметр которой меньше внутреннего диаметра седла 2. На каждом диске 5 установлена трансформирующаяся давлением рабочей среды герметичная мембрана 8, закрывающая выемку 7. В каждом диске 5 со стороны, противоположной седлу 2, выполнено отверстие 9, соединяющее выемку 7 с полостью корпуса 1. На каждом седле 2 по внутреннему диаметру выполнена коническая поверхность 10. Запорный орган управляется штурвалом 11 через винт 12, проходящий через гайку 13. Винт 12 уплотнен сальником 14.

Толщина мембраны 8 подбирается так, чтобы обеспечивалось условие:

где δ - толщина мембраны,
P_раб. рабочее статическое давление в РО,
d_min минимальный диаметр седла,
σ_{изг.упр.}- напряжения, при которых происходит упругий прогиб мембраны,
а диаметр и конфигурация отверстия подбирается из условия:

где [σ_cp] - допустимые напряжения среза материала мембраны,
P_г.у. давление гидроудара, характерное для системы, в которой установлен клапан,
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления отверстия.

Условие (1) предусматривает подбор толщины мембраны таким образом, чтобы мембрана трансформировалась (образовывалась уплотняющая пара "сфера-конус") при рабочем давлении, на которое рассчитан РО (например, для задвижки установленной в сети водоснабжения жилого массива рабочее давление P_раб. 6 кгс/см²).

Условие (2) предусматривает подбор диаметра и конфигурации ("ломаное" или прямое) отверстия (отверстий), сообщающего подмембранную полость с корпусом РО (т.е. с полостью статического рабочего давления) таким образом, чтобы пик давления, могущий возникнуть в корпусе РО из-за гидроударов в системе, не позволил "срезать" мембрану о седло.

Работает 2-х седельный РО (задвижка) с клапаном регулирующим следующим образом.

Как уже упоминалось, задвижка является 2-х позиционным РО, позволяющим либо открывать клапан регулирующий (максимальный расход среды), либо закрывать его (минимальный расход среды, соответствующий норме негерметичности).

При вращении штурвала 11 вместе с ним вращается гайка 13. Винт 12, вкручиваясь в гайку 13, поднимает запорный орган 4 (вместе с дисками 5) до тех пор, пока проходное сечение патрубков 3 не откроется на 90% Это будет соответствовать положению РО "открыто".

При вращении штурвала 11 в другую сторону винт 12 с запорным органом 4 опускается и прижимает диски 5 к седлам 2. При определенном усилии прижатия в паре "запорный орган седло" обеспечивается перекрытие проходного сечения патрубка 3, что соответствует положению РО "закрыто".

При обычном исполнении клапана регулирующего (фиг. 3) он имеет диск 15, уплотнительное кольцо 16 и седло 17 клапана. В закрытом положении РО плоскость кольца 16 контактирует с плоскостью седла 17 (закрытие "плоскость - плоскость"). Для обеспечения необходимой степени негерметичности РО кольца 16 и седла 17 притирают, осуществляют слесарную подгонку и селективную сборку пар "запорный орган-седло". Контактное усилие в паре "запорный орган-седло" определяется усилием на штурвале 11.

Работа клапана регулирующего в предлагаемом изобретении имеет свои отличия.

Внешне закрытие клапана в РО производится точно так же, как в обычном РО: при вращении штурвала 11 винт 12 с запорным органом 4 опускается и прижимает диски 5 к седлам 2, чем осуществляется герметизация клапана по плоскостям седла и запорного органа (фиг. 2 "плоскость-плоскость"). Далее включается в работу трансформирующая мембрана 8, которая из положения близкого к плоскому начинает трансформироваться в сферу (фиг. 2). Трансформация мембраны 8 происходит под действием статического давления рабочей среды, заполняющей систему и РО.

После закрытия РО среда заполняет корпус 1 РО и патрубок 3, расположенный с напорной стороны. В патрубке 3, расположенном со сливной стороны, перекачиваемой среды нет. Таким образом, очевидно, что максимальный перепад на трансформирующейся мембране 8 реализуется в клапане, размещенном со сливной стороны, здесь этот перепад давления равен разности между статическим давлением в системе и атмосферным давлением, если сливная магистраль сообщается с атмосферой.

Для того, чтобы статическое давление рабочей среды (воды, нефтепродуктов, газа.) после того, как диск 5 прижат к седлу 2, могло воздействовать на мембрану 8, необходимо соблюсти 2 условия: мембрана 8 должна быть герметичной и скрепленной с диском 5 по периферии уплотнительного кольца 6, а подмембранная полость должна сообщаться с полостью статического давления рабочей среды. Сообщение подмембранной полости с полостью статического давления (в нашем примере с корпусом 1) производится с помощью специально выполняемого отверстия (либо отверстий) 9. Условия, по которым выполняются отверстия и выбирается толщина мембраны, оговорены выше. Необходимо отметить, что трансформация мембраны 8 может происходить в упругой и упруго-пластичной зонах деформирования. Наличие небольших остаточных деформаций мембраны 8 не может помешать нормальному открытию РО.

Рассмотрим эффект самогерметизации клапана регулирующего и следовательно РО в целом.

При обычном исполнении клапана регулирующего (фиг. 3) герметизация клапана достигается за счет как можно более точного изготовления плоскостей диска и седла (притирка, подгонка, селективная сборка) и усилия прижатия диска к седлу.

В предлагаемом же клапане кроме уплотнения в паре "плоскость плоскость" создается еще одна дополнительная самоуплотняющая пара "сфера-конус" (фиг. 2), причем контактное давление в самоуплотняющейся паре даже при безобидном статическом давлении рабочей среды, равном 5 кгс/см², на порядок выше, чем в паре "плоскость-плоскость".

Так как сфера не может контактировать с конусом по плоскости и контактирует по линии, толщина которой составляет доли миллиметра, получается выигрыш в контактном давлении примерно на порядок.

В случае же когда статическое давление рабочей среды больше 5 кгс/см², то выигрыш в контактном давлении может быть и большим, т.к. контактное давление в паре "сфера-конус" прямопропорционально статическому давлению рабочей среды. Этим самым: повышением контактного давления в уплотняющейся паре и образованием двойного уплотнения достигается повышение герметичности клапана и РО в целом, причем вследствие того, что трансформация мембраны происходит в процессе закрытия клапана, и при каждом новом закрытии мембрана трансформируется в сферу, а при открытии упругого возвращается к положению, близкому к плоскому, достаточно очевидно, отпадает необходимость притирать и подгонять диски 5 на плоскость.

Кроме того, вследствие того, что трансформация мембраны в сферу происходит в процессе закрытия, то отпадает надобность в селективном подборе пар "диск-седло", т.к. мембрана самоподгоняется по седлу.

Самоподгонка мембраны по седлу и более высокое контактное давление в паре "сфера-конус" позволяет повысить эксплуатационную надежность клапана и РО в целом, т.к. вне зависимости от фактически реализующегося положения диска относительно седла (при каждом закрытии оно может быть разным вследствие возможности поворота диска 5 относительно седла 2) мембрана самоподгоняется по седлу за счет своей гибкости и обеспечит герметичность закрытия клапана.

При применении предлагаемого клапана в РО можно ограничить крутящий момент на штурвале 11 и за счет этого снизить, например, вдвое контактное давление в паре "плоскость-плоскость", чем также повысить эксплуатационную надежность клапана и РО в целом из-за снижения деформируемости (а значит и снижения потери герметичности) пары "диск-седло" в уплотняющей паре "плоскость-плоскость". При этом ограничение крутящего момента на штурвале РО никак не скажется на герметичности клапана в уплотняющей паре "сфера-конус", т.к. контактное давление в этой паре зависит только от статического давления рабочей сферы и правильности подбора толщины мембраны.

Новым свойством предлагаемого клапана, проявляющемся благодаря взаимодействию совокупности признаков, указанных в формуле изобретения является его самогерметизируемость. Очевидно, что в обычном клапане при увеличении давления рабочей среды утечки через закрытый клапан тем больше, чем выше давление, т.е. пропорциональны перепаду давления на клапане.

По другому выглядит физическая картина утечек в предлагаемом клапане: чем выше давление рабочей среды, тем выше контактное давление в паре "сфера-конус" (и выше герметичность клапана), однако при некотором пороговом давлении и здесь появляется негерметичность клапана, связанная, по-видимому, с особенностями трансформации мембраны.

Таким образом, из всего вышеприведенного можно сделать вывод о том, что предложенный клапан регулирующий позволяет упростить техпроцесс его изготовления и повысить его эксплуатационную надежность.

Использование: в трубопроводной арматуре. Сущность изобретения: каждый диск запорного органа со стороны, обращенной к седлу, выполнен с выемкой. Диаметр выемки меньше внутреннего диаметра седла. На каждом диске установлена трансформирующаяся давлением рабочей среды герметичная мембрана, закрывающая выемку. Трансформация мембраны происходит за счет воздействия статического давления рабочей среды, которое производится к ней из полости корпуса через отверстие, выполненное в каждом диске. Седло имеет коническую поверхность. Мембрана, контактируя с седлом (при закрытом клапане), образует дополнительную уплотняющую пару "сфера-конус". 3 ил.

Клапан регулирующий двухседельный с односторонним уплотнением, содержащий корпус с установленными навстречу друг другу и закрепленными герметично на патрубках седлами, выполненными в виде колец прямоугольного сечения, запорный орган, установленный в корпусе с возможностью перемещения и двухпозиционного регулирования расхода рабочей среды и выполненный в виде двух дисков с прикрепленными к ним герметично уплотнительными кольцами, отличающийся тем, что диски со стороны, обращенной к седлу, выполнены с выемкой, диаметр которой меньше внутреннего диаметра седла, на каждом диске установлена трансформирующаяся давлением рабочей среды герметичная мембрана, закрывающая выемку, в каждом диске со стороны, противоположной седлу, выполнено отверстие, соединяющее выемку с полостью корпуса, а на седле по внутреннему диаметру выполнена коническая поверхность.