КЛАПАН Российский патент 1998 года по МПК F16K1/12 F16K31/38 

Изобретение относится к устройствам для открытия-закрытия трубопроводов преимущественно большего диаметра для транспортировки жидких, а также газообразных сред и представляет перемещаемый силовым управляемым цилиндром клапан.

Магистральные трубопроводы большего диаметра, служащие для транспортировки жидких и газообразных сред - водопроводы, нефтепроводы, газопроводы и т. п. чрезвычайно широко распространены в современном мире. Эти трубопроводы оснащены сотнями тысяч клапанов разнообразной конструкции, служащими для открытия или перекрытия магистралей. На запорные органы магистральных клапанов при достаточно высоких давлениях сред действуют очень большие усилия, достигающие десятков и даже сотен тонн, поэтому для перемещения запорных органов приходится использовать достаточно мощные гидравлические или электрические приводы, что приводит к удорожанию конструкции и эксплуатации клапанов, снижает их надежность.

Известно несколько путей упрощения конструкции привода магистральных клапанов, улучшения их эксплуатационных характеристик. Представляется, что наиболее перспективным является использование для перемещения запорного органа внутреннего давления среды в трубопроводе. Это единственный подход, при котором отпадает необходимость использования дополнительных источников энергии. В патенте США N 3896840, кл. F 16 K 31/42, 1975, принятом в качестве прототипа, описан клапан, в конструкции которого воплощен указанный принцип.

Вышеупомянутый клапан содержит корпус с прямоточной проточной частью, имеющей входное, выходное отверстия и седло, установленное в проточной части на пилонах центральное тело с цилиндрической рабочей камерой, помещенный в последней поршень, запорный орган, укрепленный на поршне со стороны, противоположной рабочей камере, каналы открытия и закрытия клапана, сообщенный с рабочей камерой коммуникационный канал и распределительное устройство для переменного сообщения коммуникационного канала с каналами открытия и закрытия клапана, причем седло по потоку среды расположено за центральным телом и запорным органом, перед выходным отверстием, канал открытия сообщен с проточной частью по потоку среды за седлом, а канал закрытия подключен к проточной части по ходу среды перед седлом.

В клапанах такой конструкции не требуется прилагать внешних усилий для перемещения запорного органа. Однако скорость запорного органа в них ничем не регулируется. При очень больших усилиях, действующих на запорный орган в начальный момент открытия и конечный момент закрытия может произойти мгновенное открытие или закрытие клапана, а это чревато возникновением гидравлического удара в трубопроводе и его разрушением. Последующий ремонт трубопровода и экологический ущерб, связанный с утечкой перекачиваемой жидкости (нефтепродуктов, сжиженного газа и т.п.) может составить сотни миллионов и даже миллиарды долларов.

Данное изобретение служит для устранения указанного недостатка прототипа, обеспечение такой скорости открытия и закрытия клапана данного типа, при которой исключался бы гидравлический удар в трубопроводе.

Это достигается тем, что в клапане, содержащем корпус с прямоточной частью, имеющей входное, выходное отверстия и седло, установленное в проточной части на пилонах центральное тело с цилиндрической рабочей камерой, помещенный в последней поршень, запорный орган, укрепленный на поршне со стороны, противоположной рабочей камере, каналы открытия и закрытия клапана, сообщенный с рабочей камерой коммуникационный канал и распределительное устройство для переменного сообщения коммуникационного канала с каналами открытия и закрытия клапана, причем седло по потоку среды расположено за центральным телом и запорным органом перед выходным отверстием, канал открытия сообщен с проточной частью по потоку среды за седлом, а канал закрытия подключен к проточной части походу среды перед седлом, согласно изобретению в коммуникационном канале установлен дифференциальный дроссель с коэффициентами гидравлического сопротивления, зависящими от направления течения в нем среды; при этом дифференциальный дроссель выполнен в виде проточного корпуса с выступами различной высоты и установленного в корпусе с возможностью перемещения поршенька, кроме того проточная часть корпуса клапана выполнена с местным уширением в зоне подключения канала закрытия, а на запорном органе выполнены один или несколько выступов, расположенных в проточной части.

На фиг. 1 показано продольное сечение клапана в открытом положении; на фиг. 2 - продольное сечение клапана в закрытом положении; на фиг. 3 - дроссель, установленный в коммуникационном канале клапана.

Клапан содержит корпус 1 с прямоточной проточной частью 2, имеющей входное отверстие 3, выходное отверстие 4 и седло 5. В проточной части на пилонах 6 укреплено центральное тело 7, в котором выполнена цилиндрическая рабочая камера 8. В последней помещен поршень 9, на котором со стороны, противоположной камере 8 укреплен запорный орган 10 клапана. В теле корпуса 1 выполнены канал открытия 11, сообщенный с проточной частью по ходу среды за седлом 5, канал закрытия 12, сообщенный с проточной частью по ходу среды перед седлом 5 и коммуникационный канал 13, сообщенный с рабочей камерой 8. Седло 5 расположено по потоку за центральным телом 7 и запорным органом 10 перед выходами отверстием 4. Распределительное устройство клапана состоит из камеры 14, с которой сообщены каналы 11, 12 и 13. С седлами каналов 11 и 12 взаимодействуют запирающие органы 15 и 16, которые перемещаются не показанными на чертежах приводами любого известного типа. В коммуникационном канале 13 установлен дифференциальный дроссель 17, имеющий коэффициенты гидравлического сопротивления, зависящие от направления течения в нем среды. В конструкции, показанной на фиг. 3, дифференциальный дроссель имеет поршенек 18, установленный в проточном корпусе 19 с отверстиями 20 и 21. В корпусе имеются выступы 22 и 23, имеющие разную высоту. В проточной части корпуса в зоне подключения канала 12 имеется местное уширение 24, показанное пунктиром. На запорном органе 10 могут быть выполнены один или несколько кольцевых или иной формы выступов 25. Полость 26, расположенная по другую (по отношению камеры 8) сторону поршня 9, сообщена с проточной частью клапана через кольцевой зазор 27 между цилиндрической частью запорного органа 10 и соответствующей расточкой центрального тела 7. В камере 8 может быть установлена пружина сжатия 28.

Клапан работает следующим образом.

В открытом положении, показанном на фиг. 1, запирающий орган 16 перекрывает канал закрытия 12, а канал открытия 11 открыт запирающим органом 15. При этом камера 8 сообщена через коммуникационный канал 13, камеру 14 и канал 11 с проточной частью за седлом 5, где давление минимально, если учесть гидравлические потери по длине проточной части. Давление за седлом можно уменьшить, спроектировав проточную часть конфузорной или создав местное сужение потока за седлом 5 в месте подключения канала 11. Таким образом, в описанном положении клапана давление в рабочей камере 8 меньше, чем в зонах проточной части, с которыми связана полость 26 и находится торец запорного органа 10. Вследствие этой разности давлений на запорный орган и поршень действует сила, направленная от седла и удерживающая запорный орган 10 в открытом положении, а пружину 28 - в сжатом состоянии. Для закрытия клапана запирающим органом 15 перекрывают канал 11, а запирающим органом 16 открывают канал 12 (фиг. 2). При этом камера 8 через каналы 12, 13 и камеру 14 сообщается с зоной проточной части, расположенной выше по потоку относительно седла 5. Давление среды в этой зоне повышено, если учесть гидравлическое сопротивление по длине проточной части. Это давление можно еще более увеличить, спроектировав проточную часть конфузорной или создав в месте подключения канала 12 местное уширение проточной части, как показано на фиг. 2. В данном положении давление в камере 8 больше, чем давление в проточной части за местом подключения канала 12. Вследствие этого поршень 9 и запорный орган 10 будут смещаться в сторону седла. Начальное усилие, если оно окажется недостаточным, можно увеличить с помощью пружины 28 и/или выступов 25, испытывающих динамическое воздействие потока. По мере движения запорного органа действующее на него усилие возрастает вследствие роста сопротивления клапана и достигает максимума в закрытом положении клапана, когда усилие, прижимающее запорный орган к седлу, равно F₃ = P_H - P_o • S_c. Чем больше F₃, тем надежнее герметичность клапана в закрытом положении. Из рассмотрения фиг. 2 видно, что в закрытом положении клапана его герметичность определяется, во-первых, плотностью прилегания контактирующих поверхностей запорного органа 10 и седла 5, что гарантируется максимальным усилием, действующим на запорный орган, и, во-вторых, герметичностью в закрытом положении запирающего органа 15, что нетрудно обеспечить при малых размерах этого органа. Герметичность клапана, таким образом, совершенно не зависит от утечек по зазору между поршнем 9 и стенками камеры 8, что является важным преимуществом клапанов данного типа.

Однако очень большие усилия, действующие на запорный орган таких клапанов в начальный период открытия и конечный период закрытия неизбежно приводят к исключительно быстрому закрытию и открытию клапана, причем время открытия-закрытия нельзя регулировать, как в каналах с приводом, и в этом важный недостаток бесприводных клапанов, подобных описанному в упомянутом выше патенте США. Как известно в данной отрасли техники, для того, чтобы уменьшить силу гидравлического удара, сведя его к "непрямому удару", необходимо, чтобы время закрытия-открытия клапана T₃₀ превышало величину 2L/C, где L - длина трубопровода от клапана до резервуара, C - скорость распространения ударной волны в жидкости, которая зависит от плотности жидкости, ее модуля упругости, а также от диаметра трубы, толщины ее стенок и модуля упругости материала трубы. Очевидно скорость запорного органа 10 можно регулировать, изменяя скорость опорожнения рабочей камеры 8 в процессе открытия клапана и скорость заполнения рабочей камеры в процессе закрытия. Именно для этой цели и предназначен сменный дифференциальный дроссель 17. Поскольку усилия, действующие на поршень 9 и запорный орган 10 в процессах открытия и закрытия различны, то и коэффициенты гидравлического сопротивления дросселя 17 должны зависить от направления течения в нем среды. Таким образом подбор коэффициентов гидравлического сопротивления дросселя 17 производится с учетом направления течения в нем среды, расположения последнего в трубопроводе, геометрии труб, свойств их материала и свойств жидкости. Необходимо также избегать кавитации, особенно при заполнении камеры 8. В данной конструкции дифференциального дросселя, показанный на фиг. 3 коэффициент сопротивления зависит от направления течения, так как поршенек 18 занимает различные верхнее или нижнее положение, опираясь на выступы 22 или 23 различной высоты.

Таким образом, данный клапан, обладая преимуществами прототипа, проистекающими из-за использования внутреннего давления для перемещения запорного органа, значительно превосходит прототип в части надежности, так как его конструкция позволяет исключить гидроудар путем подбора параметров дифференциального дросселя в самых различных условиях эксплуатации.

Использование: в области арматуростроения для открытия-закрытия трубопроводов преимущественно большого диаметра для транспортировки жидких сред. Сущность изобретения: клапан содержит корпус 1 с прямоточной проточной частью, имеющей входное 3, выходное 4 отверстия и седло 5, установленное в проточной части на пилонах центральное тело 7 с цилиндрической рабочей камерой 8, помещенный в последней поршень 9, запорный орган 10, укрепленный на поршне со стороны, противоположной рабочей камере, каналы открытия 11 и закрытия 12 клапана, сообщенный с рабочей камерой коммуникационный канал 13 и распределительное устройство для попеременного сообщения коммуникационного канала с каналами открытия и закрытия клапана. Причем седло 5 по потоку среды расположено за центральным телом 7 и запорным органом 10, перед выходным отверстием 4, канал открытия 11 сообщен с проточной частью по потоку среды за седлом 5, а канал закрытия 2 подключен к проточной части по ходу среды перед седлом 5. В коммуникационном канале 13 установлен дифференциальный дроссель 17 с различными от направления в нем среды коэффициентами гидравлического сопротивления, выполненный в виде проточного корпуса с выступами различной высоты и установленного в корпусе с возможностью осевого перемещения поршня. Проточная часть в зоне подключения канала закрытия 12 выполнена с местным уширением 24, а на запорном органе 10 выполнено одно или несколько выступов 25, расположенных в проточной части. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Клапан, содержащий корпус с прямоточной проточной частью, имеющей входное, выходное отверстия и седло, установленное в проточной части на пилонах центральное тело с цилиндрической рабочей камерой, помещенный в последней поршень, запорный орган, укрепленный на поршне со стороны, противоположной рабочей камере, каналы открытия и закрытия клапана, сообщенный с рабочей камерой коммуникационный канал и распределительное устройство для попеременного сообщения коммуникационного канала с каналами открытия и закрытия клапана, причем седло по потоку среды расположено за центральным телом и запорным органом перед выходном отверстием, канал открытия сообщен с проточной частью по потоку среды за седлом, а канал закрытия подключен к проточной части по ходу среды перед седлом, отличающийся тем, что в коммутационном канале установлен дифференциальный дроссель с коэффициентом гидравлического сопротивления, зависящим от направления течения в нем среды. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что дифференциальный дроссель выполнен в виде проточного корпуса с выступами различной высоты и поршня, установленного в корпусе с возможностью опоры на выступы различной высоты. 3. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что проточная часть в зоне подключения канала закрытия выполнена с местным уширением. 4. Клапан по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что на запорном органе выполнено один или несколько выступов, расположенных в проточной части.