ЗАПОРНЫЙ УЗЕЛ ЗАДВИЖКИ Российский патент 2000 года по МПК F16K3/08 

Изобретение относится к арматуростроению и может найти применение в коммунальном хозяйстве, в химической, нефтяной и других отраслях промышленности для регулирования и перекрытия рабочей среды, проходящей по трубопроводам технических систем.

Из описания изобретения к SU а.с. N 352072, МКИ F 16 K 3/08, 1972 известен запорный узел задвижки, содержащий подвижную заслонку и неподвижную (седло). Заслонки имеют взаимно перекрываемые на закрытие окна при повороте подвижной заслонки на требуемый угол. Заслонки выполнены металлическими, при этом подвижная заслонка установлена на уплотнениях. Задвижка имеет разгрузочную полость, образованную расточкой в корпусе и фланцем подвижной заслонки. Разгрузочная полость соединена каналами с напорной и выходной магистралями среды через трехходовой кран и расположена с той стороны задвижки, на которую действует давление среды в напорной магистрали.

Недостатком данного запорного узла задвижки является короткий срок службы, объясняемый невысокой износостойкостью и коррозионной стойкостью его металлических заслонок в условиях высоких температур, достаточно агрессивной технической воды, пара.

Из описания изобретения к патенту DE 3309546, МКИ F 16 K 3/08, 1984, известен также другой запорный узел задвижки. Он содержит три керамические заслонки, контактирующие между собой торцевыми прецизионными поверхностями. Сложенные вместе, они составляют блок, который установлен в цилиндрической полости корпуса. Причем между крайними неподвижными дисковыми заслонками средняя заслонка установлена с возможностью поворота вокруг продольной оси. Средняя подвижная заслонка имеет периферийные выступы (или впадины), зацепленные с соответствующими впадинами (выступами) установленного на ней приводного элемента - рычага, имеющего ограниченный угол поворота. Рычаг выведен наружу через прорезь корпуса со скользящими уплотнениями. Герметичность запорного узла задвижки обеспечивается высокой степенью точности обработки торцевых прецизионных поверхностей керамических дисковых заслонок, а также резиновыми прокладками.

Данный запорный узел задвижки обладает значительно более длительным сроком службы благодаря высокой стойкости керамических заслонок к воздействию агрессивных жидкостей и пара, а также повышенной износостойкости керамического материала заслонок, допускающих до миллиона и более циклов "открыто-закрыто".

По технической сущности данное запорно-регулирующее устройство наиболее близко к предлагаемому и может быть принято в качестве прототипа для сравнения.

Недостатком известного запорного узла задвижки является невозможность его использования в задвижках, рассчитанных на крупные проходные сечения (более 80 мм) и повышенные давления (более 80 атм). В этих случаях под действием давления рабочей среды происходит разрушение керамических заслонок, которые плохо переносят изгибные напряжения, возникающие в данной конструкции запорного узла. Последнее ограничивает область применения устройства, делает его экологически опасным, а следовательно, неприемлемым для применения в таких отраслях промышленности, как нефтяная, газовая и химическая.

Задачей настоящего изобретения является создание такого запорного узла задвижки, который бы позволил, сохранив положительные качества прототипа, расширить диапазон его рабочих параметров и область применения.

Эта задача решается тем, что в известном запорном узле задвижки, содержащем выполненные с проходными окнами дисковые заслонки, контактирующие между собой торцевыми прецизионными поверхностями, составляющие блок, причем одна из заслонок установлена с возможностью поворота приводным элементом относительно других неподвижных заслонок, при этом к неподвижным керамическим заслонкам со стороны их свободных торцевых поверхностей прилегают металлические опорные элементы, выполненные в виде дисков с проходными окнами, контуры которых совпадают с контурами проходных окон неподвижных заслонок.

Эта задача решается также тем, что толщина металлических опорных элементов увеличивается от периферии к центру не менее чем в 4 раза.

Эта задача решается также тем, что неподвижные заслонки и прилегающие к ним опорные металлические элементы притерты или приклеены друг к другу либо между ними проложены непроницаемые для рабочей среды прокладки.

Задача решается также и тем, что неподвижные заслонки и прилегающие к ним опорные элементы выполнены из одного материала и составляют единое целое, а также тем, что толщина неподвижной заслонки и выполненного с ней как единое целое опорного элемента в центре не менее чем в два раза больше, чем на периферии.

Введение в конструкцию запорного узла задвижки металлических опорных элементов, выполненных в виде дисков с проходными окнами, прилегающих к неподвижным керамическим заслонкам, качественно изменяет картину напряженного состояния керамических заслонок: вместо неблагоприятных для керамического материала изгибных и разрывных напряжений начинают преобладать более благоприятные сжимающие напряжения, что приводит к существенному увеличению коэффициента запаса прочности керамических заслонок. Как показали результаты компьютерного моделирования, указанный эффект возрастания прочности проявляется в наибольшей степени, если толщина опорных элементов плавно увеличивается от периферии к центру. Так, коэффициент запаса прочности керамических заслонок возрастает по сравнению с прототипом в 29 раз, если толщина опорных элементов в центре в 4 раза больше, чем на периферии.

Выполнение опорных элементов с проходными окнами, расположенными напротив проходных окон боковых керамических заслонок, не затрудняет прохождение рабочей жидкости через запорный узел в положении "открыто". При этом рабочая среда не просачивается между боковыми керамическими заслонками и металлическими опорными элементами ввиду того, что они притерты или приклеены друг к другу либо между ними положены непроницаемые прокладки.

Выполнение неподвижных заслонок и прилегающих к ним опорных элементов из одного материала как единого целого позволяет упростить предлагаемую конструкцию. Однако данный вариант конструктивного исполнения запорного узла задвижки может быть рекомендован в случае применения специальных материалов, таких как композиционная либо искусственная керамика, которые переносят изгибные и разрывные напряжения лучше обычной керамики.

Выполнение неподвижных заслонок и опорных элементов как единого целого с плавным уширением от периферии к центру так, что толщина единого элемента в центре не менее чем в два раза больше чем на периферии, также способствует созданию благоприятного напряженного состояния, а следовательно, способствует повышению прочностных характеристик запорного узла.

Применение запорных элементов, выполненных с плавным утолщением от периферии к центру, кроме того, способствует выравниванию температурного и гидродинамического полей и, таким образом, повышает сопротивляемость запорного узла задвижки возможным тепловым и гидравлическим ударам, тем самым повышает эксплуатационные качества задвижки.

Совокупность раскрытых выше отличительных признаков запорного узла задвижки позволяет расширить диапазон ее рабочих параметров, сделать ее надежной и экологически безопасной, а следовательно, расширить область применения на такие отрасли, как нефтяная, газовая и химическая промышленность.

Ниже дается детальное описание запорного узла задвижки со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 в продольном разрезе показан общий вид запорного узла в составе задвижки в положении "закрыто".

На фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1 с частичным вырывом в месте соединения поворотной заслонки с ее приводом.

На фиг. 3 изображен вид по стрелке А на запорный узел отдельно от деталей задвижки.

На фиг. 4 - продольный разрез запорного узла в варианте исполнения с прокладками (клеем) между неподвижными заслонками и примыкающими к ним опорными элементами.

На фиг. 5 - вариант исполнения запорного узла задвижки, в котором боковые заслонки и прилегающие к ним дисковые опорные элементы выполнены как единое целое.

На фиг. 6 - вариант исполнения запорного узла задвижки с односторонним исполнением опорного элемента.

Согласно изобретению запорный узел задвижки содержит дисковые заслонки 1, 2, 3, контактирующие между собой торцевыми прецизионными поверхностями, исключающими проникновение между ними жидкости. Дисковые заслонки 1, 2, 3 имеют проходные окна 4, 5, 6 соответственно. Боковые заслонки 1 и 3 установлены неподвижно, и их проходные окна расположены напротив друг друга, а средняя заслонка 2 - с возможностью поворота приводным элементом, содержащим кольцевую ступицу 7, червяк 8 с выходным валом 9 и маховиком 10. Поворотный диск 2 взаимозацеплен с кольцевой ступицей 7 с помощью выступов 11. С помощью таких же выступов 12 и 13 боковые заслонки зафиксированы относительно корпуса 14 и фланцевой крышки 15.

К боковым неподвижным заслонкам 1 и 3 примыкают притертые к ним опорные элементы 18 и 19, выполненные в виде уширяющихся от периферии к центру дисков с проходными окнами 26 и 27, совпадающими по контурам с проходными окнами 4 и 6 неподвижных дисковых заслонок 1 и 3. С помощью выступов 28 и 29 опорные элементы 18 и 19 зафиксированы от поворота относительно корпуса задвижки.

К опорным элементам 18 и 19 примыкают упругие манжеты 20 и 21, выполненные, например, из бензомаслостойкой резины. Для улучшения упругих свойств манжеты могут быть армированы изнутри металлическими элементами типа тарельчатых пружин.

Запорный узел задвижки, состоящий из сложенных в блок трех дисковых заслонок 1, 2, 3 и опорных элементов 18 и 19 вместе с упругими манжетами 20 и 21 вставлен в корпус задвижки 14, стянутый болтами 22 с фланцевой крышкой 15 таким образом, что резиновые манжеты 20 и 21 сжаты от своего первоначального состояния на 15 - 30%. Последнее обеспечивает необходимую для герметичности степень прижатия между собой всех элементов запорного узла.

В приведенном на фиг. 1 варианте исполнения задвижка снабжена указателем-ограничителем угла поворота средней заслонки, выполненным в виде винтового стержня 25 с гайкой 24, грани которой установлены с возможностью скольжения в коробчатом корпусе 23.

На фиг. 1 опорные элементы 18, 19 притерты к неподвижным заслонкам 1, 3 с точностью, обеспечивающей отсутствие возможности просачивания жидкости между ними (допускается неплоскостность не более 1 мкм). На фиг. 4 между опорными элементами 18, 19 и неподвижными заслонками 1, 3 положены прокладки либо клей 16, 17. На фиг. 5 опорные элементы 18, 19 и неподвижные заслонки 1, 3 выполнены как единое целое.

На фиг. 6 представлен вариант запорного узла в одностороннем исполнении: неподвижная заслонка 1 и опорный элемент 18 заменены уплотнительным керамическим кольцом 30, притертым к поворотной заслонке 2. Задвижка с таким запорным узлом является односторонней, и подача рабочей среды допускается только в направлении стрелки V.

В вариантах исполнения запорного узла задвижки, изображенных на фиг. 1 - 4, заслонки 1, 2, 3 выполнены из керамики, а опорные элементы 18, 19 - из закаленной стали. На фиг. 5, 6 все элементы запорного узла выполнены из высокопрочной керамики.

Работает запорный узел задвижки следующим образом.

Исходное положение: задвижка закрыта. Давление рабочей среды из входного патрубка (например, со стороны корпуса 14) передается через проходные окна 26 и 4 опорного элемента 18 и неподвижной заслонки 1 на часть прецизионной поверхности поворотной заслонки 2, перекрывающей окна 4. Поворотная заслонка 2, в свою очередь, прижимает неподвижную заслонку 3 к стальному опорному элементу 19, который через резиновые манжеты 21 опирается на фланцевую крышку корпуса задвижки 15.

Благодаря предлагаемому опорному элементу 19 в данной схеме нагружения керамических заслонок, в них практически полностью отсутствуют разрывные (изгибные) напряжения, что приводит к повышению коэффициента запаса прочности по сравнению с прототипом в 29 раз. Это значит, что предлагаемый запорный узел задвижки способен выдерживать в 29 раз более высокие давления рабочих сред, чем значительно расширяется область рабочих параметров устройства, повышается его безопасность, открывается возможность применения на экологически опасных объектах.

При повороте маховика 10 вращение передается через выходной вал 9 и червяк 8 на кольцевую ступицу 7, а от нее, благодаря выступам 11, - на поворотную заслонку 2. В результате при повороте заслонки 2 ее проходные окна 5 постепенно совмещаются с проходными окнами 4 и 6 неподвижных заслонок 1 и 3. Запорный узел, таким образом, переходит в положение "открыто", и рабочая среда через проходные окна 26, 4, 5, 6, 27 поступает на выход задвижки.

Герметичность запорного узла обеспечивается тем, что рабочая жидкость не просачивается между прецизионными поверхностями заслонок 1, 2, 3, поскольку они притерты между собой, а также тем, что рабочая жидкость не просачивается между внешними поверхностями неподвижных заслонок 1, 3 и прилегающими к ним поверхностями опорных элементов 18, 19, т.к. они также притерты, либо между ними проложены прокладки или клей 16, 17 (фиг. 4), либо они выполнены как единое целое (фиг. 5, 6).

Помимо значительно улучшенных прочностных характеристик предлагаемый запорный узел обладает меньшим гидравлическим сопротивлением благодаря ламинаризации потока рабочей среды, обеспечиваемой плавной формой внешних поверхностей опорных элементов 18, 19. Опорные элементы 18, 19 способствуют выравниванию гидродинамического и теплового полей потока рабочей жидкости, поэтому предлагаемый запорный узел обладает более высокой стойкостью к гидравлическим и тепловым ударам.

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для регулирования и перекрытия рабочей среды, проходящей по трубопроводам технических и коммунальных сетей. Запорный узел задвижки содержит блок дисковых заслонок. Заслонки контактируют между собой торцевыми прецизионными поверхностями. Дисковые заслонки имеют проходные окна. Боковые заслонки установлены неподвижно. Средняя заслонка установлена с возможностью поворота относительно других неподвижных заслонок. К неподвижным заслонкам со стороны их свободных торцевых поверхностей установлены опорные элементы. Последние выполнены в виде дисков с проходными окнами, совпадающими с окнами неподвижных заслонок. Толщина опорных элементов плавно увеличивается от периферии к центру. Изобретение повышает эксплуатационные качества задвижки. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Запорный узел задвижки, содержащий выполненные с проходными окнами дисковые заслонки, контактирующие между собой торцевыми прецизионными поверхностями, составляющие блок, причем одна из заслонок установлена с возможностью поворота приводным элементом относительно других неподвижных заслонок, отличающийся тем, что к неподвижным заслонкам со стороны их свободных торцевых поверхностей установлены опорные элементы, выполненные в виде дисков с проходными окнами, совпадающими с окнами неподвижных заслонок, причем толщина опорных элементов плавно увеличивается от периферии к центру. 2. Запорный узел задвижки по п.1, отличающийся тем, что толщина дисковых опорных элементов в центре не менее чем в 4 раза больше, чем на периферии. 3. Запорный узел задвижки по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между неподвижными заслонками и дисковыми опорными элементами проложены не проницаемые для рабочей среды прокладки. 4. Запорный узел задвижки по пп.1 и 2, отличающийся тем, что неподвижные заслонки и дисковые опорные элементы приклеены друг к другу. 5. Запорный узел задвижки по п.1, отличающийся тем, что неподвижные заслонки и дисковые опорные элементы выполнены как единое целое, причем толщина единого элемента в центре не менее чем в два раза больше, чем на периферии.