ОБРАТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2001 года по МПК F16K15/03 

Изобретение относится к обратному клапану, который может быть использован в трубопроводах для того, чтобы перекрывать последние при изменении направления потока, например, в случае разрыва трубопровода или перебоев в работе нагнетающего насоса.

Отправной точкой при создании изобретения послужил известный обратный клапан в соответствии с ограничительными признаками первого пункта патентных притязаний, - клапан, который именуется также "маятниковым" клапаном по той причине, что в положении "открыто" он обнаруживает определенное сходство с непрерывным ходом маятника даже при наличии неменяющегося расхода, следствием чего является большое и вдобавок пульсирующее сопротивление потоку. Кроме того, сохраняется опасность "заедания" клапана.

Обратный клапан описанного "типа, известный из заявки ФРГ N 3129396, имеет размещенную на поворотном вале возвратную торсионную пружину, под действием которой заслонка клапана принимает положение "закрыто". Несмотря на свою усложненную конструкцию, клапан этого типа не лишен упомянутых выше недостатков.

Из авторского свидетельства СССР N 340818 известен обратный клапан сходного типа, запорный элемент которого имеет на обратной стороне дугообразную деталь, которая в положении "открыто" прилегает ко внутренней стороне поверхности цилиндрического корпуса, а в положении "закрыто" должна, благодаря собственному весу, обеспечивать более плотное прилегание уплотняющей поверхности запорного элемента клапана к седлу и тем самым повышать герметичность; однако и такой клапан не свободен от явления неустойчивости, а дугообразная деталь создает повышенное сопротивление прохождению потока.

В известном из патента Российской Федерации N 2020350 обратном клапане устойчивое положение "открыто" заслонки достигается благодаря тому, что заслонка размещена с возможностью поворота на конце несущего стержня, который расположен вдоль оси трубопровода и снабжен пружиной, причем названная заслонка по периметру опорного участка имеет зубчатый сектор, вступающий в механическое взаимодействие с зубчатой рейкой, укрепленной на направляющей несущего стержня. В положении "закрыто" заслонка клапана оказывается прижатой к седлу благодаря действию пружины на несущем стержне. При движении потока клапан приподнимается над своим седлом и смещается назад, при этом после совершения некоторого движения назад зубчатый сектор вступает в зацепление с зубчатой рейкой, а клапан при дальнейшем смещении назад принудительно поворачивается в положение "открыто". Такая конструкция требует больших материальных затрат и отличается значительным сопротивлением потоку.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании обратного клапана, который обеспечивал бы устойчивость заслонки в положении "открыто" в потоке текучей среды при незначительном сопротивлении потоку.

Поставленная задача решена благодаря тому, что в обратном клапане для трубопровода, включающем корпус, седло и взаимодействующую с седлом заслонку, закрепленную в верхней части корпуса с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, причем заслонка выполнена с выпуклой тыльной стороной для создания подъемной силы, действующей в направлении положения "открыто", предусмотрен по меньшей мере один ограничительный элемент, установленный в корпусе с возможностью прилегания к нему заслонки при нахождении ее в положении "открыто", при этом на тыльной стороне заслонки на участке, обращенном к ограничительному элементу, при нахождении заслонки в положении "открыто", выполнены канавки, ориентированные приблизительно перпендикулярно оси поворота заслонки; ограничительный элемент может быть выполнен дугообразным в плане, и на участке, обращенном к заслонке, выполнен с углублением, образующим поверхность взаимодействия с заслонкой в положении "открыто". Кроме того, заслонка может быть выполнена, по меньшей мере по периметру участка, обращенного к ограничительному элементу, с уступом, образующим поверхность взаимодействия с поверхностью углубления ограничительного элемента; в положении "открыто" верхняя поверхность дугообразного ограничительного элемента является геометрическим продолжением тыльной стороны заслонки, а его нижняя поверхность является геометрическим продолжением фронтальной стороны заслонки. Названная фронтальная сторона заслонки и нижняя поверхность ограничительного элемента могут быть выполнены вогнутыми; кроме того, на верхней поверхности ограничительного элемента также могут быть выполнены канавки, являющиеся геометрическим продолжением канавок заслонки в положении "открыто"; канавки, выполненные на верхней поверхности ограничительного элемента, могут быть смещены относительно канавок заслонки, а дно канавок заслонки в положении "открыто" может быть выполнено приблизительно параллельным продольной оси корпуса, или под некоторым углом к ней, или наклоненным книзу; в свою очередь, дно канавок ограничительного элемента может быть выполнено приблизительно параллельным продольной оси корпуса или наклоненным книзу. Геометрические размеры элементов канавок подчиняются определенным соотношениям.

В дальнейшем изобретение поясняется детально на примерах выполнения с привлечением прилагаемых чертежей. На чертежах представлены:
- обратный клапан в положении "открыто", вертикальный разрез вдоль продольной оси (разрез 2-2 на фиг. 2);
фиг. 2 - разрез по линии 1-1 на фиг. 1 для случая соосного расположения канавок в заслонке клапана и ограничительном дугообразном элементе;
фиг. 3 - разрез по линии 1-1 на фиг. 1 для смещенного друг относительно друга расположения канавок в заслонке клапана и ограничительном дугообразном элементе;
фиг. 4 - продольный разрез согласно фиг. 1 для положения обратного клапана "закрыто".

Варианты осуществления изобретения.

В трубчатом корпусе 1, выше его продольной оси и перпендикулярно к ней, при взгляде сверху, закреплена ось поворота 13 заслонки 4 клапана, которая в положении "закрыто" прилегает к поверхности 3 седла 2 своей конической уплотняющей поверхностью 6. Заслонка 4 клапана подвешена на оси поворота 13 (ее геометрическая ось поворота обозначена позицией 12) по средством двух несущих проушин 14, которые выполнены с отверстиями для оси поворота 13 и поперечное сечение которых, показанное на фиг. 2 и 3, выполнено обтекаемой формы. Ось поворота 13 закреплена в корпусе посредством подходящих известных элементов фиксации 18.

В положении "открыто" передняя по течению потока часть заслонки 4 является участком 11 набегания потока, а другая часть является участком 9 схода потока. Линией 15, проходящей нормально к плоскости заслонки 4 через центр тяжести последней, отмечен переход между этими участками.

Линия, проходящая нормально к плоскости заслонки 4 через ось поворота 13, обозначена как поворотная линия 16, а ее расстояние от линии 15 центра тяжести представляет собой эксцентриситет e подвеса заслонки 4 клапана.

Позади заслонки 4, в поперечном направлении через корпус 1, в параллельной оси поворота 13 плоскости размещен плоский ограничительный дугообразный элемент 21, к которому в положении "открыто" прилегает край участка 9 схода потока заслонки 4 клапана. Ограничительный дугообразный элемент 21 смонтирован таким образом, что оба его края размещены в расположенных сбоку продольных пазах 19 корпуса 1 и зафиксированы в этом положении подходящим известным способом, в данном случае точечной сваркой 20.

На переднем, обращенном к заслонке 4 крае ограничительного дугообразного элемента 21 выполнено углубление 23 (фиг. 4) таким образом, что образуется горизонтальная поверхность 25, на которую опирается по периферии участок 9 схода потока заслонки 4 в положении "открыто"; в кромке заслонки также выполнен уступ 7, который образует поверхность упора 8, в свою очередь, вступающую во взаимодействие с горизонтальной поверхностью 25 дугообразного элемента 21. Уступ 7 заслонки 4 в изображенном примере выполнен, из технологических соображений, по всему периметру заслонки 4; в ряде случаев бывает достаточным выполнить такое углубление лишь на участке периметра заслонки 4, обращенном к ограничительному элементу 21 и служащем для прилегания к дугообразному ограничительному элементу 21. Между обращенными к друг другу в положении "открыто", ориентированными приблизительно по вертикали поверхностями заслонки 4 клапана и дугообразного элемента 21 остаются небольшие зазоры 24, верхняя из названных поверхностей, относящаяся к дугообразному элементу, обозначена позицией 22, верхняя поверхность 27 дугообразного элемента 21 в положении заслонки 4 "открыто" является геометрическим продолжением выпуклой тыльной стороны 10 заслонки 4, а нижняя поверхность 26 дугообразного элемента 21 представляет собой геометрическое продолжение фронтальной стороны 5 заслонки 4.

На тыльной стороне 10 заслонки 4 клапана, на участке 9 схода потока выполнены канавки 28, приблизительно перпендикулярные оси поворота 12, то есть такие канавки, которые в положении "открыто" заслонки 4 ориентированы в направлении движения потока. Их глубина h своего максимального значения достигает почти сразу за их передним краем и постепенно уменьшается к периферии участка 9 схода потока, причем дно 30 канавок 28 может располагаться в положении "открыто" примерно горизонтально или же слегка понижаясь.

На верхней поверхности 27 дугообразного элемента 21 аналогичным образом выполнены продольные канавки 29, глубина которых к заднему по течению потока участку ограничительного элемента 21 уменьшается так, что их дно 31 переходит в верхнюю поверхность 27. Канавки 29 в ограничительном дугообразном элементе 21 могут быть как соосными с канавками 28 заслонки 4 в положении "открыто" (иными словами, представлять собой их геометрическое продолжение, фиг. 2), так и смещенными относительно последних, (фиг. 3). Боковые стенки 32 канавок 28 и 29 могут быть ориентированы по нормали к оси поворота 12 или могут образовывать с этой последней некоторый угол.

Канавки выполнены подчиняющимися следующим соотношениям:
b/h ≅ 3,0; l₁/b ≅ 2,0;
l₂/l₃ ≅ 1,0; l₄/l₅ ≅ 1,0,
где b - ширина канавки;
h - максимальная глубина канавки;
l₁ - расстояние между соседними канавками;
l₂ - переменная длина канавок заслонки;
l₃ - максимальная протяженность в продольном направлении участка 9 схода потока заслонки;
l₄ - переменная длина канавок в ограничительном дугообразном элементе;
l₅ - максимальная протяженность в продольном направлении ограничительного дугообразного элемента 21.

Принцип действия описанного обратного клапана следующий.

При движении текучей среды в направлении, указанном стрелкой на фиг. 1-3, заслонка 4 клапана открывается за счет гидростатического давления на ее фронтальную сторону 5, и поворачивается в положение "открыто" согласно фиг. 1 благодаря тому, что обтекание заслонки клапана приводит к возникновению подъемной силы, которая приподнимает заслонку 4 до ограничительного элемента 21, и поверхности соприкосновения 8 и 25 приходят в контакт друг с другом. Заслонка 4 и дугообразный элемент 21 образуют при этом единое крыловидное тело, находящееся под действием подъемной силы.

Продольные канавки 28, выполненные на тыльной стороне 10 заслонки 4 на участке 9 схода потока, усиливают прижим заслонки 4 к ограничительному элементу 21. На этом участке, на тыльной стороне 10 заслонки 4 клапана, преобладает положительный градиент давления, а в канавках возникают продольно ориентированные вихревые потоки с внутренними областями разрежения, благодаря которым суммарная подъемная сила, действующая на заслонку 4, еще больше возрастает. В описанном случае создается такое распределение величины давления, при котором заслонка 4 надежно удерживается в достигнутом положении "открыто" при скоростях потока и величинах расхода, встречающихся в практике эксплуатации, при этом отсутствуют маятниковые колебания или биения.

Вследствие плавного перетекания потока с тыльной стороны 10 заслонки 4 на верхнюю поверхность 27 дугообразного элемента 21, а также с фронтальной стороны 5 заслонки на нижнюю поверхность 26 дугообразного элемента, а также благодаря тому, что несущие проушины 14 выполнены обтекаемой формы, коэффициент сопротивления потоку незначителен и, тем самым, потери давления при прохождении потока через обратный клапан малы; вдобавок, ориентированные в продольном направлении вихревые потоки также способствуют уменьшению сопротивления в канавках 28 и 29, размещенных в области положительного градиента давления.

Когда поток приходит в состояние покоя, заслонка 4 клапана, центр тяжести которой располагается позади оси 12, перемещается под действием веса к положению "закрыто", а при возникновении обратного течения, благодаря обратному подпору, полностью закрывается. Уплотняющая поверхность 6 заслонки 4 клапана приходит в надежное, плотное соприкосновение с поверхностью 3 седла 2, и обратный клапан запирает текучую среду, которая прекращает свое движение в направлении, показанном стрелкой согласно фиг. 4.

Заслонка 4 в описанном обратном клапане открывается и гарантированно остается в положении "открыто" уже при малых градиентах давления и скоростях потока, оказывает лишь незначительное сопротивление потоку в положении "открыто" и надежно запирается при возникновении обратного течения. Таким образом, положение "открыто" устойчиво сохраняется, исключены маятниковые колебания заслонки 4 и, тем самым, пульсация потока.

Ограничительный элемент может быть выполнен другой формы, отличной от дугообразной, например в виде прямоугольника в плане. В качестве ограничительного элемента могут служить, например, одна или несколько пластин, установленных так, чтобы не создавалось значительного сопротивления потоку.

Ограничительный элемент (элементы) может быть размещен также и перед заслонкой в направлении движения потока.

Хотя выше приведен вариант осуществления изобретения, являющийся предпочтительным, он далеко не исчерпывает все возможные варианты, очевидные для специалистов в данной области.

Промышленная применимость.

Клапан может найти применение для защиты газогидравлических систем различного назначения в частности, трубопроводов, от воздействия избыточного давления при гидравлическом ударе, а также для быстрого отключения в аварийных ситуациях в химической нефтехимической промышленности, водоснабжении, водоотведении, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отрастях промышленности, а также в энергохозяйстве.

Обратный клапан для трубопровода предназначен для перекрытия трубопроводов в случае разрыва трубопровода или перебоев в работе нагнетающего насоса. Обратный клапан для трубопроводов содержит корпус 1, седло 2 и взаимодействующую с седлом заслонку 4. Заслонка 4 закреплена в верхней части корпуса с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси 12, лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси 17 корпуса 1. Причем заслонка 4 выполнена с выпуклой тыльной стороной 10 для создания подъемной силы, действующей в направлении положения "открыто", обратный клапан снабжен по меньшей мере одним ограничительным элементом 21. Последний установлен в корпусе 1 с возможностью прилегания к нему заслонки 4 при нахождении ее в положении "открыто". При этом на тыльной стороне 10 заслонки 4 на участке 9 схода потока выполнены канавки 28, ориентированные приблизительно перпендикулярно к оси поворота 12 заслонки 14. Изобретение позволяет защитить газогидравлические системы различного назначения от воздействия избыточного давления при гидравлическом ударе, а также быстро отключить систему в аварийной ситуации в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Обратный клапан для трубопровода, включающий корпус 1, седло 2 и взаимодействующую с седлом заслонку 4, закрепленную в верхней части корпуса с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси 12, лежащей в плоскости, перпендикулярной к продольной оси 17 корпуса 1, причем заслонка 4 выполнена с выпуклой тыльной стороной 10 для создания подъемной силы, действующей в направлении положения "открыто", отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним ограничительным элементом 21, установленным в корпусе 1 с возможностью прилегания к нему заслонки 14 при нахождении ее в положении "открыто", при этом на тыльной стороне 10 заслонки 4 на участке 9 схода потока выполнены канавки 28, ориентированные приблизительно перпендикулярно к оси поворота 12 заслонки 4. 2. Обратный клапан по п.1, отличающийся тем, что ограничительный элемент 21 выполнен дугообразным в плане и на участке, обращенном к заслонке 4, выполнен с углублением 23, образующим поверхность 25 взаимодействия с заслонкой 4 в положении "открыто". 3. Обратный клапан по п.2, отличающийся тем, что заслонка 4 выполнена, по меньшей мере, по периметру участка, обращенного к ограничительному элементу 21, с уступом 7, образующим поверхность 8 взаимодействия с поверхностью 25 углубления 23 ограничительного элемента 21. 4. Обратный клапан по п.2, отличающийся тем, что в положении "открыто" верхняя поверхность 27 дугообразного ограничительного элемента 21 является геометрическим продолжением тыльной стороны 10 заслонки 4, а его нижняя поверхность 26 является геометрическим продолжением фронтальной стороны 5 заслонки 4. 5. Обратный клапан по п.4, отличающийся тем, что фронтальная сторона 5 заслонки 4 и нижняя поверхность 26 ограничительного элемента 21 выполнены вогнутыми. 6. Обратный клапан по п.5, отличающийся тем, что на верхней поверхности 27 ограничительного элемента 21 выполнены канавки 29, являющиеся геометрическим продолжением канавок 28 заслонки 4 в положении "открыто". 7. Обратный клапан по п.5, отличающийся тем, что канавки 29 смещены относительно канавок 28 заслонки 4. 8. Обратный клапан по п.7, отличающийся тем, что дно 30 канавок 28 заслонки 4 в положении "открыто" выполнено параллельным продольной оси 17 корпуса 1. 9. Обратный клапан по п.7, отличающийся тем, что дно 30 канавок 28 заслонки 4 в положении "открыто" выполнено под некоторым углом к продольной оси 17 корпуса 1. 10. Обратный клапан по п.6 или 7, отличающийся тем, что дно 31 канавок 29 ограничительного элемента 21 выполнено параллельно продольной оси 17 корпуса 1. 11. Обратный клапан по п.6 или 7, отличающийся тем, что дно 31 канавок 29 ограничительного элемента 21 выполнено под некоторым углом к продольной оси 17 корпуса 1. 12. Обратный клапан по одному из пп. 1, 6-11, отличающийся тем, что геометрические размеры канавок удовлетворяют следующим соотношениям:
b/h≅3,0,
l₁/b ≅2,0,
l₂/l₃ ≅1,0,
l₄/l₅ ≅ 1,0,
где b - ширина канавки;
h - максимальная глубина канавки;
l₁ - расстояние между соседними канавками;
l₂ - переменная длина канавок заслонки 4;
l₃ - максимальная протяженность участка 9 схода потока заслонки 4 в продольном направлении;
l₄ - переменная длина канавок в ограничительном дугообразном элементе 21;
l₅ - максимальная протяженность ограничительного дугообразного элемента 21в продольном направлении.