РЕДУКЦИОННЫЙ КЛАПАН Российский патент 2001 года по МПК F16K17/196 

Предлагаемый редукционный клапан предназначен для установки в напорных магистралях с целью понижения давления рабочей среды и поддержания его на заданном уровне независимо от величины расхода этой рабочей среды. Преимущественной областью использования данного клапана являются магистрали горячего и холодного водоснабжения в квартирах жилых домов, где подводимое давление превышает нормы, допустимые для санитарно-технической арматуры.

Известны редукционные клапаны, предназначенные для указанных выше целей, например, редукционный клапан (фирма "Кайко-Кайтер", каталог, 1999 г., Финляндия).

В корпусе известного клапана размещены: шток с разделительным поршнем, эластичной диафрагмой и тарелью с уплотнительной прокладкой, ввернутое в корпус седло из нержавеющей стали, а также пружина с регулировочным винтом, охваченные крышкой. Эффективная площадь разделительного поршня равна площади круга, ограниченного рабочей кромкой седла. Это позволяет избавиться от влияния изменения напорного давления на величину редуцируемого давления. Однако контактное трение уплотнения разделительного поршня приводит к неоднозначности в характеристике клапана "расход - редуцируемое давление", которая сводится к появлению петли гистерезиса в этой характеристике. Это же контактное трение обеспечивает необходимую степень демпфирования, что исключает автоколебания.

Попытка избавиться от сил контактного трения разделительного поршня привела к созданию редукционного клапана, в котором напор рабочей силы подает через центральное отверстие седла (фирма Desbordes, Франция, каталог фирмы, 1999 г.). При этом сила от действия давления напора на уплотняющую прокладку, следовательно и на подвижный узел, направлена в сторону отжима уплотняющей прокладки от седла и совпадает с направлением действия силы пружины. Поэтому с увеличением давления в напорной линии редуцируемое давление будет увеличиваться, а с уменьшением - уменьшаться.

При определенном сочетании эффективных площадей диафрагмы и круга, ограниченного кромкой седла, влияние напорного давления на редуцируемое давление можно сделать незначительным.

В этом клапане демпфирование подвижного узла осуществляется с помощью гидродемпфера. Он состоит из цилиндрического поршня, закрепленного на торце тарели с уплотняющей прокладкой, и глухого отверстия, в которое поршень входит по скользящей посадке. Степень демпфирования подвижного узла клапана определяется параметрами гидравлического дросселя, соединяющего дно глухого отверстия с полостью редуцируемого давления.

Несмотря на то, что разделительный поршень в этой конструкции отсутствует, петля гистерезиса остается сравнительно большой. Объясняется это тем, что пружина не имеет специальной заделки и ее крайние витки перекашивают жесткий центр диафрагмы. В результате поршень демпфера с большой силой трется о цилиндрические стенки глухого отверстия, что приводит к появлению осевой силы контактного трения, следовательно, к появлению гистерезиса в характеристике "расход-редуцируемое давление".

В этом редукционном клапане, как и во всех других, редуцируемое давление с увеличением расхода, из-за характеристики пружины, падает. Из-за гидравлического сопротивления устройств в напорной магистрали, например, запорного крана, давление в напорной магистрали перед редукционным клапаном с увеличением расхода также будет падать. Поэтому падение редуцируемого давления с увеличением расхода будет еще больше, чем падение только за счет жесткости пружины.

В редукционном клапане (Энергия - Тамбов, паспорт), в корпусе которого размещены также запорный кран и фильтр, напор рабочей среды поступает от уплотняющей прокладки к центральному отверстию седла. При этом сила, обусловленная перепадом давлений, направлена в сторону закрытия клапана. Она вычитается из осевой силы пружины и приводит к тому, что при уменьшении давления в напорной линии редуцируемое давление будет увеличиваться. Поэтому при определенном сочетании эффективной площади диафрагмы, площади круга, образованного кромкой седла, жесткости пружины и гидравлического сопротивления в напорной магистрали, наклон падающей характеристики "расход-редуцируемое давление" с увеличением расхода будет уменьшаться, а редуцируемое давление - несколько увеличиваться.

Это одно из достоинств рассмотренной схемы клапана. Однако указанный клапан имеет и ряд недостатков. Демпфирование подвижной части клапана осуществляется введением узла трения в виде фторопластового кольца, поджимаемого к цилиндрической поверхности фрикциона резиновым кольцом. Это создает вредные силы контактного трения, приводящие к появлению петли гистерезиса. Кроме того, пружина перекашивает жесткий центр диафрагмы и осевые силы контактного трения еще больше увеличиваются, усугубляя неоднозначность петли гистеризиса в характеристике "расход-редуцируемое давление".

Еще одним недостатком рассматриваемой конструкции редукционного клапана является высокочастотный /кавитационной природы/ шум в области наиболее реальных потребляемых расходов. Он объясняется неудачной геометрией внутренних поверхностей полости с редуцируемым давлением.

Кроме того, в рассматриваемой конструкции имеется ряд недостатков, которых нет в лучших зарубежных конструкциях.

Прежде всего, диафрагма не армирована тканью, что не исключает ее прорыва с течением незначительного времени. Клапан перед дренажным отверстием не решает проблемы, так как он эффективно может работать только при больших расходах, а величина этого расхода лимитируется дренажным отверстием.

Седло выполнено из латуни, что ограничивает срок службы редукционного клапана из-за физико-химического разрушения рабочей поверхности седла. Латунь особенно подвержена кавитационному разрушению при больших перепадах давления. Этот режим в редукционных клапанах является основополагающим.

Кроме того, рабочая поверхность седла выполнена торообразной, что требует больших усилий для герметичного закрытия резино-металлического клапана, чем для седла с относительно острой кромкой. Торообразная форма седла объясняет причину увеличения крутизны характеристики "расход-редуцируемое давление" по сравнению с клапаном, у которого кромка седла относительно острая.

Уплотняющая прокладка в рассматриваемом редукционном клапане в угоду миниатюризации выполнена в виде резинового диска, в центр которого завулканизирован диск из латуни. Толщина рабочей части резины над латунным диском оказывается малой. В результате кавитационного износа и разрушения от кавитационных сил седла срок службы такой прокладки ограничен.

Еще одним недостатком указанного клапана является невозможность подстройки редукционного клапана. Поскольку редуцируемое давление в этом клапане зависит от величины давления в напорной магистрали, то при его установке на различных этажах зданий необходима поднастройка начального значения редуцируемого давления.

Известен также редукционный клапан, см. книгу Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков, Справочник конструктора трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение, 1987 г. , стр. 161, рис. 2.134. Известный клапан содержит корпус со штуцерами. Внутри корпуса расположены седло и взаимодействующий с ним запорный орган с уплотнительной прокладкой. Проточная полость корпуса ограничена с одной стороны мембраной, которая зажата в корпусе крышкой. На мембране имеется жесткий центр, соединенный с одной стороны со штоком, а с другой стороны - со стержнем. В полости крышки, прижимающей мембрану, расположен регулировочный резьбовой элемент, связанный резьбой с крышкой. В указанной полости также размещена настроечная пружина. На свободном конце стержня выполнена сферическая поверхность. Указанный конец входит внутрь полого опорного элемента и упирается в коническую поверхность, выполненную на его дне. Снаружи на полом опорном элементе выполнен кольцевой выступ. Аналогичный опорный элемент расположен на осевом выступе регулировочного резьбового элемента. При этом настроечная пружина опирается концами на кольцевые выступы обоих опорных элементов. Кроме того, клапан содержит демпфер.

Недостатком указанного редукционного клапана является неустойчивое положение настроечной пружины, поскольку полые опорные элементы, на которые она опирается, легко могут отклоняться от продольной оси. Кроме того, имеющийся в клапане демпфер недостаточно эффективен.

Задачей изобретения является уменьшение петли гистерезиса в характеристике клапана "расход-редуцируемое давление", уменьшение высокочастотного шума, а также обеспечение более устойчивого положения пружины.

Технический результат достигается за счет того, что в редукционном клапане, содержащем корпус со штуцерами, закрепленную в корпусе крышкой диафрагму с жестким центром, седло и взаимодействующий с ним запорный орган с уплотняющей прокладкой, шток, соединенный с жестким центром мембраны, регулировочный резьбовой элемент, связанный резьбой с крышкой, полый опорный элемент с наружным кольцевым выступом и конической поверхностью внутри на дне, стержень со сферической поверхностью на конце, закрепленный на жестком центре мембраны и входящий внутрь полого опорного элемента с контактом их сферической и конической поверхностей, настроечную пружину, опирающуюся одним концом на кольцевой выступ опорного элемента, а также демпфер, закрытый крышкой, согласно изобретению полый опорный элемент выполнен в виде стакана, а в регулировочном резьбовом элементе выполнено центральное отверстие для прохода стакана, расположенного с кольцевым зазором относительно стенки указанного отверстия и выступающего глухим концом с размещенным в нем стержнем из регулировочного элемента, а пружина установлена с возможностью упора в торец регулировочного элемента.

Кроме того демпфер выполнен в виде поршня, жестко соединенного с запорным органом и размещенного в полости крышки, на цилиндрической поверхности поршня расположено уплотнительное кольцо, выполненное, например, из фторопласта, и контактирующее со стенками полости крышки, а поршень размещен в полости с кольцевым зазором относительно стенки полости.

Кроме этого клапан снабжен фильтром.

Причем переходы на штоке от плоскости рабочей поверхности запорного органа и от плоскости диска, контактирующего с жестким центром мембраны /диафрагмы/, к цилиндрическому участку штока выполнены галтелеобразными.

Кроме того, диафрагма выполнена из материала, армированного тканью, а седло выполнено из нержавеющей стали.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид редукционного клапана в разрезе.

Клапан содержит корпус 1 с двумя штуцерами. Входной штуцер 2 выполнен с наружной резьбой, а штуцер 3 - с внутренней. На штуцер 2 навернут с соответствующим уплотнением резьбы проходной фильтр 4. В корпус 1 ввернуто седло 5 с уплотнением 6. К нижней части штока 7 присоединен запорный орган 11, выполненный за одно целое с поршнем 8, на котором соответственно, размещены пластмассовое кольцо 9 и уплотняющая прокладка 10. Последняя прикреплена к запорному органу 11 посредством накидной гайки. Две чаши - нижняя 12 и верхняя 13, образующие жесткий центр диафрагмы, надеты на резьбовой конец штока 7 и прижаты к торцу штока 7 с помощью стержня 14. Перед сборкой между чашами 12 и 13 вкладываются уплотнительное кольцо 15 и внутреннее кольцо диафрагмы 16. Наружное кольцо диафрагмы 16 вложено в соответствующую выемку корпуса 1. На торец корпуса 1 установлена крышка 17, которая притянута к корпусу накидной гайкой 18.

На стержень 14, конец которого выполнен сферическим, надет стакан 19, на дне которого имеется коническая поверхность. На наружной поверхности стакана 19 выполнен кольцевой выступ. Пружина 20 одним концом опирается о выступ, а другим концом - о торцевую поверхность регулировочного резьбового элемента 21, ввернутого в резьбовое отверстие крышки 17. Верхний торец крышки 17 закрыт заглушкой 22 с дренажным отверстием в центре. Нижний торец корпуса закрыт другой крышкой 23 с уплотнительным кольцом 24.

Поршень 8 с пластмассовым кольцом 9, размещенным в цилиндрической части полости крышки 23, образуют гидродемпфер подвижной части клапана. Степень демпфирования определяется эффективной площадью поршня и диаметром отверстий 25, выполненных в цилиндрической части поршня 8.

Диафрагма 16 со стороны воды выполнена из мягкой резины, а с другой стороны - из ткани. Резина и ткань связаны между собой посредством процесса вулканизации или склеиванием. Такая конструкция диафрагмы является общепринятым способом предохранения диафрагмы от разрыва, что делает ее высоконадежной и обеспечивает длительный срок службы.

В регулировочном резьбовом элементе имеется центральное отверстие для прохода стакана 19. Причем стакан расположен в отверстии с кольцевым зазором относительно стенки отверстия, а конец стакана с расположенным в нем стержнем, выступает из регулировочного элемента в полость между регулировочным элементом и заглушкой.

Редукционный клапан работает следующим образом.

Через штуцер фильтра 4 редукционный клапан подсоединяется к напорной магистрали, а через штуцер 3 подключается к потребителям, например, к водоразборному крану.

При подаче рабочей среды под давлением в напорную магистраль и открытом водоразборном кране рабочая среда будет проходить через кольцевой зазор между седлом 5 и уплотняющей прокладкой 10, так как в начальный момент под действием пружины 20 резинометаллический запорный орган будет открыт. Далее рабочая среда по галтелеобразным переходам штока 7 попадает в полость, расположенную под жестким центром диафрагмы 16. Роль жесткого центра выполняет чаша 12. Из этой полости далее рабочая среда поступает к водоразборному крану /потребителю/.

Дросселирование рабочей среды в зазоре между седлом 5 и уплотняющей прокладкой 10, а также к запорно-регулирующем органе водоразборного крана приводит к появлению определенного давления под диафрагмой. Это давление, действуя на эффективную площадь диафрагмы 16, создает силу, направленную на закрытие седла 5 уплотняющей прокладкой 10. Сила действия пружины 20, направленная на открытие седла 5, препятствует закрытию его за счет редуцируемого давления. В зависимости от соотношения этих сил уплотняющая прокладка 10 запорного органа 11 будет перемещаться или в сторону седла 5 или от него. При равенстве этих сил запорный орган с уплотняющей прокладкой 10 остановится на определенном расстоянии от седла 5 и обеспечит режим течения рабочей среды, при котором редуцируемое давление установится на заданном уровне, определяемом сжатием пружины 20.

Если за счет вращения регулировочного элемента 21 изменить величину сжатия пружины 29, то изменится и редуцируемое давление. Чем больше будет натяг пружины, тем больше будет редуцируемое давление и наоборот.

Открытие и закрытие водоразборного крана на какой-то момент приведет к изменению редуцируемого давления, которое сместит жесткий центр диафрагмы 16 и редуцируемое давление снова установится на значении, определяемом силой сжатия пружины 20.

При полностью закрытом водоразборном кране уплотняющая прокладка 10 прижмется к рабочей поверхности седла 5 и перекроет доступ рабочей среды из напорной магистрали в полость с редуцируемым давлением. При открытии водоразборного крана редуцируемое давление на какой-то момент снизится, пружина 20 отожмет запорный орган с прокладкой 10 от седла и редуцируемое давление снова вернется к заданному, определяемому силой сжатия пружины 20, а также величиной расхода рабочей среды через водоразборный кран.

Галтелеобразные переходы штока 7 обеспечивают плавное течение рабочей среды от зазора между уплотняющей прокладкой 10 и седлом 5 к выходному отверстию редукционного клапана. Эти переходы исключают высокочастотные шумы рабочей среды, особенно при больших перепадах давления на клапане.

Передача усилия пружины 20 от регулировочного резьбового элемента 21 к жесткому центру диафрагмы 16 через стакан 19 и стержень 14 исключает перекос жесткого центра диафрагмы 16 и следовательно исключает силы контактного трения пластмассового кольца 9 поршня 8 о стенки полости в крышке 23, возникающие при перекосе жесткого центра. Кроме того, расположение стакана 19 с возможностью прохода через центральное отверстие регулировочного элемента 21 позволяет предупредить отклонение стакана и пружины от продольной оси. За счет значительного завышения диаметра пластмассового, например фторопластового, кольца 9 по отношению к диаметру поршня 8 обеспечивается малая сила контактного трения пластмассы о металлическую поверхность крышки.

Разгрузка жесткого центра от перекоса и использование гидравлического демпфера с малой силой контактного трения снижает до незначительных величин неоднозначность в характеристике клапана "расход-редуцируемое давление" и делает редукционный клапан пригодным для использования в качестве квартирного редуктора для поэтажного уменьшения давления рабочей среды.

Клапан предназначен для использования в санитарно-технической арматуре в магистралях холодного и горячего водоснабжения. Клапан содержит корпус со штуцерами, крышку, диафрагму с жестким центром, седло, запорный орган с уплотняющей прокладкой, регулировочный элемент, связанный резьбой с крышкой, полый опорный элемент в виде стакана, стержень, закрепленный на центре мембраны и входящий внутрь стакана, настроечную пружину, опирающуюся на регулировочный элемент и кольцевой выступ опорного элемента, и демпфер, закрытый другой крышкой. Стакан расположен в центральном отверстии регулировочного элемента с кольцевым зазором, а глухой конец стакана со стержнем расположен за пределами регулировочного элемента. Изобретение обеспечивает уменьшение петли гистерезиса в характеристике клапана "расход - регулируемое давление", снижение высокочастотного шума и более устойчивое положение пружины. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Редукционный клапан, содержащий корпус со штуцерами, закрепленную в корпусе крышкой диафрагму с жестким центром, седло и взаимодействующий с ним запорный орган с уплотняющей прокладкой, шток, соединенный с жестким центром диафрагмы, резьбовой регулировочный элемент, связанный резьбой с крышкой, полый опорный элемент с наружным кольцевым выступом и конической поверхностью внутри на дне, стержень со сферической поверхностью на конце, закрепленный на жестком центре диафрагмы и входящий внутрь полого опорного элемента с контактом их сферической и конической поверхностей, настроечную пружину, опирающуюся одним концом на кольцевой выступ опорного элемента, а также демпфер, отличающийся тем, что полый опорный элемент выполнен в виде стакана, в резьбовом регулировочном элементе выполнено центральное отверстие для прохода стакана, расположенного с кольцевым зазором относительно стенки отверстия и выступающего глухим концом с размещенным в нем стержнем из регулировочного элемента, а пружина установлена с возможностью упора другим концом в торец регулировочного элемента. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что демпфер выполнен в виде поршня, жестко соединенного с запорным органом и размещенного в полости крышки с кольцевым зазором относительно стенки полости, а на цилиндрической поверхности поршня установлено уплотнительное кольцо, выполненное, например, из фторопласта, и контактирующее со стенкой полости крышки. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что он снабжен фильтром. 4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что переходы на штоке от плоскости рабочей поверхности уплотняющей прокладки запорного органа и от плоскости диска, контактирующего с жестким центром диафрагмы, к цилиндрическому участку штока выполнены галтелеобразными. 5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что диафрагма выполнена из материала, армированного тканью. 6. Клапан по п.1, отличающийся тем, что седло выполнено из нержавеющей стали.