ПНЕВМОКЛАПАН Российский патент 1999 года по МПК F01D17/10 F16K31/143 

Изобретение относится к области турбостроения и, в частности, к запорной трубопроводной арматуре с пневмоприводом, приводимым в действие давлением рабочей среды. Изобретение может быть широко применимо в энергетических установках, в которых наряду с рабочими установлены резервные газовые или паровые турбины.

Известны пневмоклапаны с поршневым пневмоприводом двустороннего или одностороннего действия, применяемые в обвязке газотурбинных и паротурбинных установок и обеспечивающие автоматический режим их работы [1]. Недостатками данной арматуры являются:
- сложность и громоздкость;
- наличие специальной системы пневмоуправления, требующей отдельного источника управляющего давления;
- возможность открытия арматуры при больших перепадах давления на клапане, что может привести к выходу из строя или разрушению турбины в процессе ее пуска или останова, а также при пуске резервных турбинных агрегатов, что, в свою очередь, требует установки дополнительной регулирующей арматуры и введения защитных блокировок.

Известна также конструкция пневмоклапана, в которой в качестве поршневого привода используется сам клапан, приводимый в действие с помощью рабочего технологического потока [2].

Указанная конструкция отличается простотой, но обладает тремя существенными недостатками:
- открытие клапана осуществляется при наличии перепада давления на нем, равного рабочему, что может привести к выходу из строя всего турбинного агрегата или отдельных его элементов, например подшипников;
- невозможность автономной работы пневмоклапана при отсутствии рабочего давления в проточной части пневмоклапана, что делает чрезвычайно сложным проведение пуско-наладочных и ремонтных работ;
- уплотнительные поверхности клапана и седла подвержены эрозии за счет потока технологической среды вследствие отсутствия защиты этих поверхностей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является пневмоклапан, включающий корпус с седлом, клапан с уплотнителем, проточную часть, поршневой пневмопривод с щелевым уплотнением поршня и штока, установленный непосредственно в проточную часть и управляемый с помощью рабочей среды, при этом давление управляющего газа равно давлению рабочей среды [3]. Недостаток данного пневмоклапана заключается в том, что в нем используется поршневой пневмопривод двустороннего действия, при этом диаметр поршня пневмопривода выполнен больше, чем диаметр клапана. Такое исполнение требует при использовании пневмоклапанов в обвязке паровых или газовых турбин установки автоматической защитной блокировки на открытие в случае, если перепад давления на клапане выше величины, безопасной для конструкции турбины. Кроме того, такое конструктивное решение приводит к значительному расходу управляющего газа, требует сложной системы пневмоуправления, а также применения специальных материалов, технологических производственных процессов для получения эрозионностойких уплотнительных поверхностей (например, в виде твердосплавных наплавок) клапана, что, в свою очередь, приводит еще к большей мощности привода.

Решаемая задача - повышение надежности срабатывания при заданном перепаде давления на клапане, безопасном для турбины, без усложнения системы управления и уменьшение расхода управляющего газа.

С этой целью установлен поршневой пневмопривод одностороннего действия, а диаметр поршня пневмопривода выполнен меньше диаметра клапана, на котором имеется буртик, защищающий уплотнитель от эрозии.

Такое конструктивное решение позволяет устранить недостатки, характерные для известных клапанов.

По фондам РПТБ и ГПНТБ был проведен поиск для выявления аналогичных технических решений. Решений, совпадающих по отличительным признакам, обнаружено не было, на основании чего был сделан вывод о том, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

На чертеже изображено заявляемое устройство.

Пневмоклапан содержит корпус 1, седло 2, клапан 3, проточную часть 4, поршневой пневмопривод, выполненный в виде цилиндра 5, поршня 6 и штока 7, соединяющего клапан 3 с поршнем 6. Уплотнение рабочего и управляющего газа по штоку 7 и поршню 6 осуществляется за счет диаметральных зазоров, выполненных по рабочей длине цилиндра 5. Предварительное уплотнение клапана 3 создается за счет пружины 8, а необходимая герметичность - за счет усилия, возникающего от разности давления над и под клапаном 3. Камера 9 над поршнем 6 с помощью трубопровода 10 подключена к дренажу, а камера 11 под поршнем 6 - с помощью трубопровода 12 к источнику рабочей среды. При этом давление управляющего газа равно давлению рабочей среды. Для защиты уплотнителя 13, установленного в клапане 3, в последнем выполнен защитный буртик 14, предохраняющий уплотнитель от эрозии потоком рабочей среды.

Пневмоклапан работает следующим образом. При подаче управляющего давления из трубопровода 12 в камеру 11 открытие клапана 3 произойдет только тогда, когда будет выполнено условие:
F₁ > F₂+F₃+F_пр-F₄+F₅
F₁ = 0,785d_п ²/P_у - усилие, действующее на поршень 6 со стороны камеры 11;
F₂ = 0,785D_к ²/(P₁ - P₂) - усилие, действующее на клапан 3 от перепада давления;
F₃ = 0,785d_п ²P₃ - усилие, действующее на поршень 6 со стороны камеры 9;
F_пр - усилие пружины 8;
F₄= 0,785d_ш ²P₁ - усилие, действующее на шток 7 от давления со стороны проточной части 4;
F₅=0,785d_ш ²P₃ - усилие, действующее на шток 7 со стороны камеры 9,
где d_п - диаметр поршня 6,
d_ш - диаметр штока 7,
D_к -диаметр клапана 3,
P₁ - давление рабочего газа над клапаном 3,
P₂ - давление рабочего газа под клапаном 3,
P₃ - давление в камере 9, равное давлению рабочего газа в дренаже,
P_у - давление управляющего газа в камере 11, равное давлению рабочего газа, например P₁.

Так как диаметр поршня 6 выполнен меньше диаметра клапана 3, то отрыв клапана 3 от седла 2 может произойти только при появлении определенного перепада давления на клапане 3. Как только такой перепад на клапане 3 создается, он под действием усилия, действующего на поршень 6 пневмопривода, открывается. После открытия клапана 3 давление над и под клапаном (гидравлические потери в самом клапане не учитываются) может выравниваться. При этом вследствие наличия буртика 14 на клапане 3 конечной длины поток движущейся среды не создает какого-либо динамического воздействия на уплотнитель 13, которое могло бы привести к разрушению последнего.

Для закрытия клапана 3 достаточно отключить подачу управляющего газа в камеру 11. В результате этого давление в камере 11 через некоторое время сравняется с давлением в камере 9, соединенной трубопроводом 10 с дренажом. Уменьшение давления в камере 11 происходит из-за утечек управляющего газа по щелевому зазору между поршнем 6 и цилиндром 5. После выравнивания давлений в камерах 11 и 9, клапан 3 под действием пружины 8 садится на седло 2, перекрывая расход газа в проточной части 4. Предварительное уплотнение клапана 3 создается пружиной 8, а окончательная герметизация затвора достигается за счет перепада давления на клапане 3, образующегося после его закрытия.

Как видно из описания работы пневмоклапана, утечки управляющего газа имеют место в период, когда клапан находится в открытом состоянии. При этом величина утечки управляющего газа значительно сокращена за счет уменьшения щелевого зазора между поршнем б и цилиндром 7, что, в свою очередь, обусловлено уменьшением диаметра поршня 6, диаметр которого всегда меньше диаметра клапана 3.

Необходимо также отметить, что в период, когда клапан находится в закрытом положении, утечки рабочего газа из проточной части 4 по щелевым зазорам штока 7 и поршня 6 не происходит, что достигается за счет перекрытия дренажа на трубопроводе 10.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных технических решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Использование предлагаемого технического решения позволяет:
- существенно повысить надежность работы пневмоклапана в условиях заданного перепада давлений на клапане;
- сократить расход управляющего газа;
- упростить систему управления пневмоклапаном;
- повысить ресурс пневмоклапана и надежность его герметизации;
использовать пневмоклапан в других отраслях техники.

Пневмоклапан предназначен для запорной арматуры, в которой для пневмоуправления используется рабочий газ. Пневмоклапан включает корпус с седлом, клапан с уплотнителем, проточную часть, поршневой пневмопривод с щелевым уплотнением поршня. Клапан установлен непосредственно в проточную часть и управляется с помощью рабочей среды. Поршневой пневмопривод выполнен одностороннего действия. Диаметр поршня пневмопривода меньше диаметра клапана. На клапане имеется буртик, защищающий уплотнитель от эрозии. Такое выполнение клапана позволит повысить надежность его работы в условиях заданного перепада давления и снижения расхода управляющего газа. 1 ил.

Пневмоклапан, включающий корпус с седлом, клапан с уплотнителем, проточную часть, поршневой пневмопривод с щелевым уплотнением поршня и штока, установленный непосредственно в проточную часть и управляемый с помощью рабочей среды, отличающийся тем, что поршневой пневмопривод одностороннего действия, а диаметр поршня пневмопривода меньше диаметра клапана, на котором имеется буртик, защищающий уплотнитель от эрозии.