ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2001 года по МПК F16K1/12 F16K41/10 

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к запорной арматуре, и может быть использовано в промышленной трубопроводной арматуре, в частности в гидро- и пневмосистемах высоких давлений в металлургической, химической, энергетической и других отраслях промышленности.

Известен запорный клапан, в корпусе которого установлено седло, связанный с управляющим штоком принудительно подвижный запорный элемент, герметизированный посредством сильфона, наружный диаметр которого равен диаметру запорного элемента, при этом в гофрах сильфона размещены опорные кольца, соединенные со втулками, установленными на штоке с возможностью перемещения вдоль оси штока, а запорный элемент выполнен эластичным. См. А.с. 631727 СССР, МКИ5 F 16 K 1/12. Клапан /Заявл. 11.09.75, опубл. 05.11.78,
Известно, что для увеличения числа циклов срабатывания клапана необходимо стремиться к снижению контактных давлений герметизации в клапанных уплотнениях, то есть к достижению минимального усилия поджатия запорного элемента клапана к седлу, при котором обеспечивается герметичность уплотняемых поверхностей.

Наличие сильфона, наружный диаметр которого равен диаметру запорного элемента, в известной конструкции обеспечивает уменьшение усилия рабочей жидкости, воздействующего на запорный элемент со стороны входного канала, за счет существенного уменьшения величины эффективной площади поверхности, участвующей в передаче усилия. Таким образом, для герметизации рассматриваемой конструкции клапана используется нагрузка, обусловленная преимущественно величиной давления управления. Это приводит к тому, что при аварийном отключении давления управления герметичность клапана не сохраняется.

Кроме того, при увеличении давления рабочей среды не исключены ситуации, когда величины контактных давлений, действующих в уплотнении запорного элемента при закрытии проходного сечения клапана, могут оказаться недостаточными для обеспечения герметичности уплотнения, что приводит к недопустимым утечкам рабочей жидкости и снижает надежность клапана.

С другой стороны, при снижении давления рабочей среды могут возникнуть ситуации, когда величины контактных давлений в уплотнении запорного элемента становятся чрезмерными для обеспечения герметичности, что приводит к неоправданному увеличению деформации эластичного уплотнительного узла и его преждевременному износу. В итоге уменьшается число циклов срабатывания и снижается долговечность клапана.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является взятый в качестве прототипа запорный клапан, содержащий корпус, седло, установленное в корпусе, запорный элемент, снабженный уплотнением, соединенный с управляющим штоком, размещенным в полости корпуса и связанным с пневмоцилиндром управления, при этом запорный элемент подпружинен посредством упругого сильфона, герметизирующего управляющий шток, наружный диаметр которого меньше диаметра запорного элемента. См. П.м. 8073 Россия, МКИ6 F 16 K 39/02. Запорный клапан /Заявл. 04.02.97.

Увеличенная эффективная площадь поверхности со стороны входного канала в данной конструкции запорного клапана обеспечивает, соответственно, и увеличение прижимного усилия, воздействующего на запорный элемент с уплотнением при закрытии проходного сечения. Это несколько повышает надежность клапана, но не исключает ситуации, при которой величины контактных давлений в уплотнении запорного элемента могут оказаться недостаточными для обеспечения герметичности клапана, в частности, при аварийном отключении давления управления, или, наоборот, величины контактных давлений могут оказаться неоправданно большими.

Это обусловлено тем, что не задана величина наружного диаметра впадины гофр сильфона, определяющая величину эффективной площади поверхности, участвующей в передаче усилия рабочей жидкости на запорный элемент со стороны входного канала при закрытии проходного сечения. Соответственно, не определена и величина указанной эффективной площади. В результате, с одной стороны, при недостаточном прижимном усилии неизбежны утечки рабочей жидкости и открытие проходного сечения клапана при аварийном отключении давления управления, что снижает надежность клапана и является совершенно недопустимым в условиях непрерывного производства, например металлургического. С другой стороны, при чрезмерно большом прижимном усилии, приводящем к увеличению деформации эластичного уплотнительного узла и его преждевременному износу, уменьшается число циклов срабатывания и снижается долговечность клапана.

Следующим недостатком рассматриваемого запорного клапана является то, что в нем не определена длина сильфона, герметизирующего управляющий шток. При недостаточной длине сильфона усилие, действующее на управляющий шток при максимальном открытии проходного сечения клапана, может оказаться настолько большим, что в случае аварийного отключения давления управления проходное сечение клапана неизбежно закрывается. Это приводит к снижению надежности клапана.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорного клапана, характеризующегося герметичностью уплотнения при аварийном отключении давления управления с возможностью снижения контактных давлений герметизации за счет оптимизации величины эффективной площади поверхности, участвующей в передаче усилия рабочей жидкости на запорный элемент со стороны входного канала при закрытии проходного сечения, что приводит к повышению надежности, увеличению числа циклов срабатывания и повышению долговечности клапана.

Технической задачей, решаемой изобретением, является также создание запорного клапана, обеспечивающего сохранение проходного сечения клапана в открытом положении при аварийном отключении давления управления за счет выбора оптимальной длины сильфона, при которой уменьшаются усилия, воздействующие на управляющий шток на одном и том же перемещении штока, и за счет чего повышается надежность клапана.

Для решения поставленной задачи в известном запорном клапане, содержащем корпус, установленные в корпусе седло, подпружиненный запорный элемент, снабженный уплотнением и соединенный с управляющим штоком, связанным с пневмоцилиндром управления, при этом управляющий шток герметизирован посредством сильфона, согласно изобретению оптимальная величина наружного диаметра впадины гофр сильфона выбирается из соотношения

где D_c - наружный диаметр впадины сильфона, мм,
D_к - средний диаметр контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм,
S - ширина зоны контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм,
P - рабочее давление в клапане, МПа,
P_у - давление управления в пневмоцилиндре, МПа,
D_п - диаметр поршня пневмоцилиндра, мм,
K = K₁·K₂·K₃ - обобщающий эмпирический коэффициент,
K₁ = 0,8-1,2 - коэффициент, учитывающий параметры покрытия и шероховатости поверхности седла;
K₂ = 1-2 - коэффициент, учитывающий физические параметры уплотняемой среды (при t = 20^oC),
K₃ = 0,8-1,2 - коэффициент, учитывающий физические характеристики материала уплотнения.

В частном случае исполнения согласно изобретению оптимальная длина сильфона выбирается из соотношения
L_c ≥ (4,5-5,5)D_c, (2)
где L_c - оптимальная длина сильфона,
D_c - наружный диаметр впадины гофр сильфона.

Точного метода расчета геометрических характеристик сильфона, определяющих более надежную герметизацию клапана и уменьшение контактных давлений герметизации, нет.

Геометрические характеристики сильфона, в частности наружный диаметр впадины гофр сильфона, при заданных величинах рабочего давления в клапане и давления управления в пневмоцилиндре определяются многими конструктивными и эксплуатационными факторами, в частности средним диаметром контакта седла с уплотнением запорного элемента, шириной зоны уплотнения, диаметром поршня пневмоцилиндра управления, физическими параметрами покрытия и шероховатости седла, параметрами уплотняемой среды и материала уплотнения.

Исследования и эксперименты показали, что выбор оптимальной величины наружного диаметра впадины гофр сильфона при заданных величинах рабочего давления и давления управления целесообразно производить из соотношения (1), полученного с использованием уравнения определения распределенной силы герметизации. См. Кармугин Б.В., Стратиневский Г.Г., Мендельсон Д.А. Клапанные уплотнения пневмогидроагрегатов // Машиностроение, 1983. С. 76.

Экспериментально подтверждено, что выбор величины наружного диаметра впадины гофр сильфона из соотношения (1) позволяет установить такую величину усилия поджатия запорного элемента клапана к седлу, при которой в уплотнении обеспечиваются контактные давления, необходимые и достаточные для надежной герметизации клапана (при наименьшей величине усилия поджатия) даже при отсутствии давления управления.

При этом физические параметры покрытия и шероховатости поверхности седла учитываются введением эмпирического коэффициента K₁.

K₁ = 0,8 - для адгезионных покрытий и пленки типа тефлона или фторопласта. K₁ = 1 - для покрытий с параметрами шероховатости R_a = 0,08-0,16. K₁ = 1,2 - для покрытий с параметрами шероховатости R_a = 0,16-0,32.

Физические параметры уплотняемой среды учитываются введением эмпирического коэффициента K₂.

K₂ = 1 - для жидкостей, кроме керосина и бензина. K₂ = 1 - для воздуха, пара и других газов. K₂ = 2 - для более текучих сред - водорода, гелия, керосина и бензина.

Физические характеристики материала уплотнения учитываются введением эмпирического коэффициента K₃.

K₃ = 0,8 - для фторопласта-4. K₂ = 1 - для мягкой резины, полиамида, капролона. K₃ = 1,2 - для резины средней твердости.

Усилие поджатия создается под воздействием давления управления пневмоцилиндра и давления рабочей среды, действующей на запорный элемент клапана по эффективной площади поверхности со стороны входного канала. При этом чем больше наружный диаметр впадины гофр сильфона, тем меньше эффективная площадь и тем меньшее усилие действует на запорный элемент клапана при закрытии проходного сечения.

Если наружный диаметр впадины гофр сильфона превышает правую часть соотношения (1), то есть соотношение не соблюдено, то при заданных параметрах давления управления и давления рабочей среды усилие поджатия запорного элемента к седлу и, соответственно, контактные давления в уплотнении будут недостаточными для обеспечения герметичности клапана.

Если наружный диаметр впадины гофр сильфона равен правой части соотношения (1), в этом случае усилие поджатия и контактные давления в уплотнении при заданных параметрах будут минимально допустимыми для обеспечения герметичности при отсутствии давления управления в том числе.

Если наружный диаметр впадины гофр сильфона меньше правой части соотношения (1), в этом случае контактные давления в уплотнении будут всегда достаточными для обеспечения герметичности клапана.

Таким образом, при соблюдении соотношения (1) гарантируется герметизация уплотнения запорного элемента клапана и сохранение герметичности при аварийном отключении давления управления, что повышает надежность клапана и позволяет уменьшить контактные давления в уплотнении. В результате герметичность уплотнения достигается при меньших контактных давлениях, и, как следствие, уменьшается износ поверхностного слоя уплотнительного элемента при трении о поверхность седла в закрытом положении. Вследствие уменьшения износа уплотнительного элемента увеличивается число циклов срабатывания клапана и повышается его долговечность.

Кроме того, установлено, что выбор длины сильфона в зависимости от величины наружного диаметра впадины гофр сильфона в соответствии с соотношением (2) обеспечивает сохранение проходного сечения клапана в открытом положении при аварийном отключении давления управления, поскольку соблюдение этого соотношения способствует уменьшению усилия, воздействующего на управляющий шток в открытом положении проходного сечения клапана. В результате повышается надежность клапана.

Если длина сильфона меньше правой части соотношения (2), то есть соотношение не соблюдено, в этом случае усилие, действующее на управляющий шток при максимальном открытии проходного сечения клапана, достаточно большое, и при аварийном исчезновении давления управления проходное сечение клапана неизбежно закрывается, то есть снижается надежность клапана.

Если длина сильфона равна правой части соотношения (2), открытое положение проходного сечения клапана сохраняется при аварийном исчезновении давления управления при минимальном усилии, действующем на управляющий шток.

Если длина сильфона больше правой части соотношения (2), в этом случае усилие, действующее на управляющий шток при максимальном открытии проходного сечения клапана, всегда достаточно, чтобы при пропаже давления управления проходное сечение клапана сохранялось гарантированно открытым. Причем чем больше длина сильфона, тем меньшее усилие действует на управляющий шток на одном и том же перемещении штока. При одном и том же ходе штока сильфон большей длины (соответственно с большим количеством гофр) находится в меньшем напряжении, то есть имеет большую долговечность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен предлагаемый запорный клапан в разрезе.

Запорный клапан содержит корпус 1, установленные в корпусе 1 седло 2, запорный элемент 3, снабженный уплотнением 4. Запорный элемент 3 соединен с управляющим штоком 5, связанным с пневмоцилиндром 6 управления. Управляющий шток 5 герметизирован посредством сильфона 7. Запорный элемент 3 подпружинен пружиной 8, поджатой гайкой 9, обеспечивающей регулировку начального усилия поджатия пружины 8. Оптимальная величина наружного диаметра впадины гофр сильфона 7 выбирается из соотношения (1) при заданных величинах рабочего давления в клапане, давления управления в пневмоцилиндре 6, среднем диаметре контакта седла 2 с уплотнением 4 запорного элемента 3, ширине зоны контакта седла 2 с уплотнением 4 и диаметре поршня 10 пневмоцилиндра 6. Кроме того, в соотношении (1) учитываются параметры покрытия и шероховатости поверхности седла 2, физические параметры уплотняемой среды (при t = 20^oC), физические характеристики материала уплотнения 4. В предпочтительном варианте исполнения клапана оптимальная длина сильфона 7 выбирается из соотношения (2) и составляет не менее 4,5-5,5 наружных диаметров впадины гофр сильфона 7.

Запорный клапан работает следующим образом.

При закрытии проходного сечения клапана под воздействием давления управления пневмоцилиндра 6 и давления рабочей среды, воздействующей на запорный элемент 3 клапана по эффективной площади поверхности со стороны входного канала 11, создается усилие, необходимое для обеспечения герметичности уплотнения 4. При этом величина упомянутой эффективной площади равна разности наружного диаметра запорного элемента 3 и наружного диаметра впадины гофр сильфона 7, выбранного из соотношения (1). Соблюдение соответствия величины наружного диаметра впадины гофр сильфона 7 соотношению (1) обеспечивает такое усилие поджатия запорного элемента 3 к поверхности седла 2 и такие контактные давления в уплотнении 4, которые являются достаточными для обеспечения герметичности клапана даже при аварийном исчезновении давления управления пневмоцилиндра 6. Причем усилие поджатия и контактные давления в уплотнении 4 при заданных параметрах будут минимально допустимыми, если наружный диаметр впадины гофр сильфона равен правой части соотношения (1). Кроме того, выбор длины сильфона 7 в соответствии с соотношением (2), в зависимости от величины наружного диаметра впадины гофр сильфона, обеспечивает сохранение проходного сечения клапана максимально открытым при аварийном исчезновении давления управления. Причем с увеличением длины сильфона 7 уменьшается усилие, действующее на управляющий шток 5 на одном и том же перемещении штока 5, и, соответственно, меньшими усилиями достигается сохранение проходного сечения клапана максимально открытым.

Таким образом, изобретение гарантирует герметичность уплотнения запорного элемента клапана при меньших контактных давлениях в уплотнении и обеспечивает сохранение герметичности уплотнения при аварийном отключении давления управления, что повышает надежность клапана. В результате уменьшается износ поверхностного слоя уплотнения при трении о поверхность седла в закрытом положении, увеличивается число циклов срабатывания клапана, и повышается долговечность. Кроме того, при аварийном отключении давления управления обеспечивается сохранение проходного сечения клапана максимально открытым, что также повышает надежность клапана. Заявляемое изобретение может найти применение в качестве запорной арматуры в металлургической, химической, энергетической и других отраслях промышленности, в условиях непрерывного производства.

Клапан может быть использован в пневмосистемах высоких давлений в металлургической, химической, энергетической и др. отраслях промышленности. В корпусе клапана установлено седло и запорный элемент с уплотнением. Управляющий шток запорного элемента связан с пневмоцилиндром управления и герметизирован посредством сильфона. Оптимальная величина наружного диаметра впадины гофр сильфона выбирается из соотношения
,
где D_c - наружный диаметр впадины гофр сильфона, мм, D_к - средний диаметр контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм, S - ширина зоны контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм, P - рабочее давление в клапане, МПа, P_у - давление управления в пневмоцилиндре, МПа, D_п - диаметр пневмоцилиндра, мм, K = K₁ · K₂ · K₃ - обобщающий эмпирический коэффициент, K₁ = 0,8 - 1,2 - коэффициент, учитывающий параметры покрытия и шероховатости поверхности седла, K₂ = 1 - 2 - коэффициент, учитывающий физические параметры уплотняемой среды (при t = 20^oC), K₃ = 0,8 - 1,2 - коэффициент, учитывающий физические характеристики материала уплотнения. Такое выполнение запорного клапана обеспечивает герметичность уплотнения при аварийном отключении давления управления, что повышает надежность, долговечного клапана и увеличивает число циклов срабатывания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Запорный клапан, содержащий корпус, установленные в корпусе седло, подпружиненный запорный элемент, снабженный уплотнением и соединенный с управляющим штоком, связанным с пневмоцилиндром управления, при этом управляющий шток герметизирован посредством сильфона, отличающийся тем, что оптимальная величина наружного диаметра впадины гофр сильфона выбирается из соотношения

где D_c - наружный диаметр впадины гофр сильфона, мм;
D_к - средний диаметр контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм;
S - ширина зоны контакта седла с уплотнением запорного элемента, мм;
P - рабочее давление в клапане, МПа;
P_y - давление управления в пневмоцилиндре, МПа;
D_п - диаметр поршня пневмоцилиндра, мм;
K = K₁ · K₂ · K₃ - обобщающий эмпирический коэффициент;
K₁ = 0,8 - 1,2 - коэффициент, учитывающий параметры покрытия и шероховатости поверхности седла;
K₂ = 1 - 2 - коэффициент, учитывающий физические параметры уплотняемой среды (при t = 20^oC),
K₃ = 0,8 - 1,2 - коэффициент, учитывающий физические характеристики материала уплотнения. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что оптимальная длина сильфона выбирается из соотношения
L_c ≥ (4,5 - 5,5) D_c,
где L_c - оптимальная длина сильфона;
D_c - наружный диаметр впадины гофр сильфона.