ЗАПОРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК F16K31/22 F16K15/04 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть использовано в качестве запорного устройства в системах водоснабжения.

Известен предохранительный клапан (см. патент США N 4030520, F 16 K 19/00, 1977), состоящий из сборного корпуса, внутри которого размещена полость в виде камеры цилиндрического сечения, сопрягаемой по концам соосно с входным и выходным переходниками. Внутри камеры свободно размещен шарообразный клапан, сопрягаемый при большом скоростном напоре газа вследствие аварийного разрушения трубопровода, преодолевая пружину сжатия, с конусной поверхностью переходника (седла), тем самым закрывая выход газа из клапана. При этом перекрытие переходника клапаном выполнено негерметичным за счет обводных каналов малого диаметра или образования многочисленных лунок на поверхности клапана. Это обеспечивает автоматический отрыв клапана от конусного седла (т.е. открывание клапана) при восстановлении разрушенного трубопровода.

Основным недостатком указанного клапана является размещение шарообразного клапана внутри потока, ограниченность величины давления газа, после которого клапан преодолевает усилие сжатия пружины и перекрывает поток, хаотические движения клапана внутри камеры и образование шума, возникновение условий для интенсивного износа клапана, сложность конструкции.

Известен контрольный клапан избыточного давление в баке [1] прототип, в котором шарообразный клапан выполнен в виде поплавка, а над камерой между входным и выходным патрубками размещен вертикальный патрубок с возможностью вывода поплавка из зоны действия потока жидкости в верхнюю часть вертикального патрубка, при этом выходной патрубок снабжен седлом, герметично перекрываемый поплавком при понижении уровня воды в баке до уровня входного переходника (выходного для бака) клапана, когда воздух в баке, находящийся под давлением, сообщается при помощи дополнительного отверстия в вертикальном патрубке с верхним пространством вертикального патрубка и вытесняет жидкость вместе с поплавком вниз. Отрыв клапана от седла осуществляется от работы нагнетательного насоса, закачивающего жидкость в бак до исходного уровня, при этом для исключения перекрытия встречного потока (от насоса в бак) внутри камеры выполнены криволинейные направляющие, а для заполнения жидкостью вертикального патрубка дополнительное отверстие в нем выполнено в виде трубки Вентури.

Основным недостатком данного клапана является принудительное открывание клапана за счет противодавления, создаваемого нагнетательным насосом, что ограничивает его технологические возможности ( в части осуществления автоматического открывания), сложность конструкции и малая надежность работы при больших скоростях течения жидкости.

Трубка Вентури препятствует подъему воды в патрубке из-за давления, создаваемого воздухом, до тех пор, пока не будет перекрыто сообщение воздуха в баке с отверстием трубки Вертури, а после перекрытия жидкостью этого сообщения при движении потока создается согласно законом гидравлики разряжение на внешнем контуре потока как напротив отверстия вертикального патрубка, так и напротив отверстия трубки Вентури. Это разряжение передается через столб жидкости и препятствует перемещению поплавка и столба жидкости вверх, а следовательно, поплавок не будет занимать крайнего верхнего положения. Трубка Вентури фактически не будет оказывать никакого влияния в силу малости ее сечения по сравнению с сечением вертикального патрубка и очень малых скоростей перемещения жидкости в каналах вертикального патрубка. А близко расположенный к потоку поплавок будет подхватываться разряжением потока и втягиваться вниз, и при большой скорости из бака будет автоматически перекрывать седло.

Задачей изобретения является увеличение надежности работы, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных свойств.

Эта задача решается тем, что в запорном устройстве, содержащем корпус в виде цилиндрической камеры и расположенного перпендикулярно к оси камеры патрубка, причем концы камеры соосно соединены с входным и выходным переходниками, внутренние диаметры приходных отверстий которых выполнены меньшими, чем внутренние диаметры отверстий концов камеры, а в камере свободно размещен запорный элемент в виде поплавка, расположенного с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью проходного отверстия выходного переходника, верхняя часть патрубка снабжена дренажным клапаном, при этом наружная поверхность поплавка выполнена шарообразной либо целиком, либо с плоскими участками, а проходное отверстие выходного переходника выполнено соответственно либо овального, либо круглого поперечного сечения с фаской для обеспечения возможности частичного перекрытия поплавком проходного отверстия выходного переходника.

При этом внутри патрубка расположен дополнительный поплавок, связанный гибким элементом с запорным элементом-поплавком.

На фиг. 1 изображено запорное устройство в момент закрытия; на фиг. 2 - запорное устройство в момент рабочего движения потока жидкости; на фиг. 3 изображен дренажный клапан на крышке патрубка после выпуска воздуха из полости патрубка; на фиг. 4 - тот же дренажный клапан при выпуске жидкости из системы; на фиг 5 - дренажный клапан на крышке патрубка, выполненный в виде эластичной мембраны; на фиг. 6 - запорное устройство, снабженное дополнительным поплавком в патрубке, связанным гибким элементом с запорным элементом; на фиг. 7 изображено исполнение негерметичного сопряжения запорного элемента с переходником за счет сквозного отверстия малого диаметра.

Запорное устройство состоит из корпуса 1, патрубка 2, расположенного перпендикулярно к оси полости корпуса 1 и установленных соосно с корпусом входного 3 и выходного 4 переходников. При этом на фиг. 1, 2 и 3 представлен переходник 4 связанный с корпусом крана (или с трубопроводом) 5 при помощи гайки 6. Оба переходника сообщаются с разных сторон отверстиями 7 и 8 с соосной с ними полостью корпуса, выполненной в виде цилиндрической камеры 9. При этом внутренние диаметры проходных отверстий 7 и 8 меньше внутренних диаметров отверстий концов камеры. Патрубок 2 расположен перпендикулярно выходному переходнику 4 вблизи зоны перекрытия его запорным элементом. Вместе с корпусом 1 он образует одну деталь-тройник. Сверху патрубок загружен крышкой 10. Внутри камеры 9 размещен свободно запорный элемент 11, выполненный в виде поплавка с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 12 проходного отверстия переходника 4. Наружная поверхность запорного элемента 11 выполнена шарообразной, либо целиком, либо с плоскими участками. Проходное отверстие выходного переходника в месте сопряжения с запорным элементом 11 выполнено либо в виде овального, либо круглого поперечного сечения с фаской 12 для обеспечения возможности частичного перекрытия поплавком проходного отверстия выходного переходника. Для исключения автоматического запирания устройства при больших скоростных напорах и вывода для этой цели запорного элемента 11 вверх по патрубку 2 на крышке 10 (см. фиг. 3 и 4) размещен дренажный клапан 13. Соответственно для слива воды из патрубка 2 и опускания запорного элемента 11 на дно камеры 9 (фиг. 4) при сливе воды из трубопроводной системы дренажный клапан 13 обеспечивает сообщение полости патрубка 2 с атмосферой. На фиг. 5 изображен вариант исполнения дренажного клапана 13 в виде эластичной мембраны.

На фиг. 6 запорный элемент 11 связан с дополнительным поплавком 14 при помощи гибкого элемента 15. При этом дополнительный поплавок 14 удерживается в полости патрубка 12 при помощи гибкого элемента 16, укрепленного в крышке 10, или на счет выступов у входа полости горловины в камеру 9 (не показано). Длина гибкого элемента 15 выбирается таким образом, чтобы после перекрытия переходника 4 запорным элементом 11 поплавок 16 не касался дна крышки 10. На фиг. 7 запорный элемент 11 снабжен сквозным отверстием 18 малого диаметра, обеспечивающим негерметичность перекрытия переходника 4. Такое исполнение запорного элемента 11 возможно и в конструкции на фиг. 1 и 2, если запорный элемент 11 закрепить на гибком элементе непосредственно к крышке 10, обеспечивая минимальную слабину гибкого элемента после запирания переходника запорным элементом 11.

Работает запорное устройство следующим образом.

При отсутствии воды в трубопроводной системе запорный элемент 11 располагается на дне камеры 9. Дренажный клапана 13 находится в крайнем нижнем положении, (на фиг. 5 занимает положение, обозначенное пунктирной линией). Дополнительный поплавок 14 (фиг. 6) занимает крайнее нижнее положение (обозначен пунктирной линией) в подвешенном состоянии на гибком элементе 16.

При подаче воды в трубопроводную систему поток воды увлекает за собой запорный элемент 11 и он запирает переходник 4. В камере 9 повышается давление, которое надежно удерживает запорный элемент 11 на поверхности 12, например, в виде фаски, несмотря на то, что клапан имеет положительную плавучесть.

Камера 9 и нижняя часть патрубка 2 заполняются водой до уровня a-a (на фиг. 1). Дальнейшему повышению уровня воды патрубка 2 препятствует воздух внутри патрубка. В этом положении происходит незначительное подтекание воды в отверстие 8 переходника 4 из-за негерметичности сопряжения запорного элемента 11 в поверхностью 12.

При закрытии крана 5 и вследствие негерметичности перекрытия переходника 4 давление воды в камере 9 и в переходнике 4 выравнивается, и запорный элемент, выполненный в виде поплавка, всплывает вверх (фиг. 2) вовнутрь патрубка 2, освобождая камеру 9. В этом положении запорный элемент 11 остается неизменно при всех открытиях при закрытиях крана 5 до тех пор, пока в трубопроводной системе находится вода. Запорный элемент 11 опирается в крышку патрубка 2, а снизу подпирается силой, действующей на запорный элемент. При внезапном отключении воды из системы и постепенном сливе ее из стояков за счет разбора воды через краны потребителей запорный элемент 11 опускается на дно камеры 9. В таком положении повторная подача воды в систему при открытом кране 5 приведет снова к запиранию переходника 4 и исключит возможность аварийного затопления помещения. Для открытия запорного устройства необходимо осуществить предварительно только перекрытие крана 5. Дальнейшая эксплуатация крана 5 происходит уже при открытом запорном устройстве, который никак не влияет на истечение воды ввиду постоянного отсутствия запорного элемента 11 в камере 9.

При наличии в патрубке 2 (в крышке 10) дренажного клапана 13 (фиг. 3, 4) под давлением воды в камере 9 сначала вытесняется воздух из патрубка 2, а затем дренажный клапан 13 поднимается и перекрывает патрубок от истечения воды через отверстие в крышке 10. В этом случае запорный элемент 11, а также дополнительный поплавок 14 на фиг. 6 поднимается, удаляясь от камеры 9. Это исключает возможный срыв запорного элемента 11 при большой скорости потока воды (большое давление и сильно открытый кран) с верхнего положения согласно фиг. 2 в камеру 9 и как следствие запирание потока воды из камеры 9. Соответственно при удалении воды из магистрали дренажный клапан 13 под действием разряжения в магистрали и собственного веса опускается, сообщая полость патрубка 2 с атмосферой, и способствует опусканию на дно камеры 9 вместе с водой запорного элемента 11.

При исполнении дренажного клапана 13 в виде эластичной мембраны (фиг. 5) внутренняя поверхность патрубка 2 свободно заполняется водой до крышки 10, т.к. эластичная мембрана сверху постоянно сообщается с атмосферой. Это обеспечивает всплытие запорного элемента 11 в верхнюю часть патрубка 2 и соответственно опускание этого клапана на дно камеры 9 при удалении воды из трубопроводной системы.

Для ускорения и облегчения всплытия запорного элемента 11 в патрубок 2 поплавок 14 (см. фиг. 3 - условно дренажный клапан 13 не показан) натягивает гибкий элемент 15 с силой, равной выталкивающей силе, действующей на дополнительный поплавок 14. Это усилие меньше, чем сила давления воды, и выталкивающая сила, действующие суммарно на запорный элемент 11. При закрытом запорном устройстве и закрытом кране 5, когда происходит процесс выравнивания давления в камере 9 и в полости переходника 4, дополнительный поплавок 14 открывает запорный элемент 11 еще до окончания выравнивания давления, и последний начинает подниматься произвольно совместно с дополнительным поплавком 14 до их совместного касания. Дополнительный поплавок 14 и запорный элемент 11 располагаются в патрубке 2 последовательно в крайнем верхнем положении, удаленном от камеры 9.

При удалении воды из магистрали дополнительный поплавок 14 опускается на длину гибкого элемента 16, а запорный элемент 11 - на дно камеры 9. Гибкий элемент 15 при закрытом запорном устройстве создает определенное ориентирование по оси переходника 4 запорного элемента 11 относительно точки связи его с гибким элементом 15. Это обеспечивает постоянное расположение сквозного отверстия 18 (фиг. 7) запорного элемента в зоне сечения переходника 4, а следовательно, гарантированную негерметичность сопряжения с переходником 4 даже при очень точном исполнении поверхности запорного элемента и гнезда 12. Для исключение попадания наружу устройства капель воды при удалении воздуха через дренажный клапан 13 типа штока, показанного на фиг. 3, и сохранения товарного вида устройства в крышке 10 предусмотрена закрытая полость 19. Несколько капель, попавшие в полость 19, не видны потребителю и в последствии испаряются, или снова вовлекаются вовнутрь патрубка 2, если вскоре из системы будет удаляться вода. Дренажный клапан 13, показанный на фиг. 5, исключает вообще попадание воды наружу запорного устройства.

Возможен вариант исполнения запорного устройства при необходимости и с ручным дренажированием с использованием, например, винта в крышке 10. В зоне расположения поплавков в верхней части вертикального патрубка полость может быть выполнена расширенной по диаметру (не показано), что препятствует втягиванию запорного элемента в камеру 9 за счет создания автономного закручивающегося потока в верхней части полости. Запорное устройство рекомендуется устанавливать в магистрали перед кранами или даже делать составной частью крана, устанавливая патрубок 2 и запорный элемент 11 непосредственно в корпусе крана отдельно от патрубка крана с горячей и холодной водой (в кранах-смесителях). Возможен вариант установки запорного устройства на сгибе вертикального трубопровода к горизонтальному участку трубопровода, снабженного краном. Для этого вместо угольника на сгибе трубопроводов необходимо установить стандартный тройник, который будет является корпусом запорного устройства. При этом переходник 3 (вертикальный трубопровод) будет находится на одной оси с патрубком устройства, являющегося патрубком тройника, а камеры 9 будет изогнутой под углом 90^o.

Применение данного запорного устройства упрощает конструкцию, позволяет использовать стандартные детали, обеспечивает высокую надежность работы при любых диапазонах давления воды в магистрали, обеспечивает перекрытие системы даже при низких давлениях в магистрали.

Запорное устройство легко монтируется в действующие системы трубопроводов и позволяет перекрывать воду в системе при неожиданной подаче ее в момент, когда кран оказался закрытым. Такие ситуации возник5ают всегда, при частом отключении воды, а потребитель забывает при этом закрыть кран, что неизбежно приводит к затоплению жилых помещений и, следовательно, к перерасходу воды.

Использование: предназначено для системы водоснабжения для исключения аварийного затопления помещений. Запорное устройство снабжено вертикальным патрубком и запорным элементом в виде поплавка. Патрубок снабжен дренажным клапаном. Наружная поверхность поплавка выполнена шарообразной либо целиком, либо с плоскими участками. Проходное отверстие выходного переходника выполнено соответственно либо овального, либо круглого поперечного сечения с фаской с обеспечением негерметичного сопряжения при закрытом запорном устройстве. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Запорное устройство, содержащее корпус в виде цилиндрической камеры и расположенного перпендикулярно к оси камеры патрубка, причем концы камеры соосно соединены с входным и выходным переходниками, внутренние диаметры проходных отверстий которых выполнены меньшими, чем внутренние диаметры отверстий концов камеры, а в камере свободно размещен запорный элемент в виде поплавка, расположенного с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью проходного отверстия выходного переходника, отличающееся тем, что верхняя часть патрубка снабжена дренажным клапаном, при этом наружная поверхность поплавка выполнена шарообразной, либо целиком, либо с плоскими участками, а проходное отверстие выходного переходника выполнено соответственно либо овального, либо круглого поперечного сечения с фаской для обеспечения возможности частичного перекрытия поплавком проходного отверстия входного переходника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри патрубка расположен дополнительный поплавок, связанный гибким элементом с запорным элементом-поплавком.