РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 2002 года по МПК F16K5/04 

Настоящее изобретение относится к регулирующему клапану.

В большинстве случаев используются продольные регулировочные клапаны седлового типа, одним из недостатков которых является протекание прокладки между корпусом клапана и шпинделем, который перемещает затворный элемент. Продольное перемещение шпинделя "прокачивает" среду через прокладку и в то же время приводит к образованию канавок износа на прокладках, параллельных его движению. Эти канавки износа образуют кратчайший возможный путь для прохождения среды, в результате чего просачивание возникает даже тогда, когда шпиндель находится в состоянии покоя. Вследствие износа прокладку приходится удлинять и более часто уплотнять. Удлинение прокладки увеличивает трение, которое ухудшает чувствительность и точность регулировки.

В герметичном поворотном клапане, например шаровом или коническом клапане, используемом для регулировки, возникают значительные проблемы, обусловленные силами трения. Трение между затворным уплотнителем и затворным элементом является существенным моментом для регулировки, поскольку плечо силы трения большое. В конструкциях, задачей которых является сведение этих трудностей к минимуму, описанных в патентах США N 5305987 и N 4822000, используется эксцентрический сегмент. Другой путь решения этой проблемы состоит в отделении уплотнителя от затворного элемента либо механически (патент США N 4867414), либо посредством разности давлений (патент США N 4747578).

Вторым источником трения в поворотных клапанах является разность давлений между впускными и выпускными сторонами в положении регулировки. Посредством разности давлений возникает сила, толкающая затворный элемент, поэтому затворный элемент необходимо закреплять в корпусе клапана на подшипниках. Посредством этой силы возникает момент трения, препятствующий повороту затворного элемента, что затрудняет получение точной регулировки.

Третьим источником трения является уплотнитель между корпусом клапана и валом затворного элемента, т.е. прокладка. Эта прокладка необходима, когда приводное устройство расположено вне корпуса. Вследствие сил трения затворного уплотнителя и подшипника поворотный вал приходится выполнять с большим диаметром во избежание скручивания, в результате диаметр прокладки становится больше, чем в седловом клапане соответствующего размера. При этом плечо силы трения, образованной уплотняющими силами вала, еще больше увеличивается.

Когда поворотный вал выходит из корпуса, возникает сила осевого давления, поэтому вал необходимо поддерживать изнутри или снаружи корпуса. Эта поддержка также образует момент трения.

Помимо моментов трения поворотные клапаны также имеют значительный динамический момент, вызываемый неоднородным распределением увеличения скорости в проточном канале затворного элемента или корпуса и возникающей из-за этого разности давлений. Этот момент затрудняет получение точной регулировки, поскольку его величина зависит от угла открытия, и эта зависимость является нелинейной.

Еще одним недостатком поворотных клапанов является шум, создаваемый в связи с его регулирующей функцией. Шаровой клапан и его эквиваленты имеют большую пропускную способность, но их недостаток - шум, причиной которого является кавитация. Кавитационные пузырьки схлопываются за пределами клапана в трубопроводе вблизи стенки трубы, откуда шум распространяется на соседние участки. Этот шум существенно уменьшается благодаря применению многоступенчатого уменьшения давления (патент США N 4530375).

В патенте США N 149563 описан так называемый тихий седловой клапан, в котором кавитационные пузырьки схлопываются внутри жидкости в изолированном пространстве.

В патенте США N 4651775 описан трехходовой клапан, имеющий полый и перфорированный затворный элемент. В патенте США N 4778152 описан конический клапан, конус которого снабжен поперечным отверстием. Из патента США N 5129148 известен клапан, имеющий пластинчатый затворный элемент, расположенный поперек поворотного вала, и эта пластина имеет несколько отверстий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является регулирующий клапан, содержащий корпус клапана, включающий первый и второй проточные каналы, соединенные между собой, поворотный чашеобразный затворный элемент, расположенный внутри корпуса клапана, и вал, выходящий из корпуса клапана для поворота затворного элемента, при этом внутренняя поверхность затворного элемента представляет собой поверхность вращения, на центральной оси которой размещен поворотный вал, а на боковой стороне затворного элемента расположено, по меньшей мере, одно отверстие, которое при открытом положении клапана соединено с проточными каналами корпуса клапана, кроме этого, корпус клапана выполнен с продолжением одного из проточных каналов, причем внешняя поверхность продолжения представляет собой поверхность вращения, соосную с внутренней поверхностью запорного элемента, примыкая к внутренней поверхности запорного элемента, а в боковой стенке ее расположено, по меньшей мере, одно отверстие, при этом отверстие запорного элемента расположено так, что при открытом положении клапана оно, по меньшей мере, частично перекрывает отверстие продолжения проточного канала, а в закрытом положении клапана отверстие продолжения проточного канала закрыто запорным элементом (патент США N 4319735 A, F 16 К 5/04, 16.03.1982).

Недостатком этого регулирующего клапана является увеличенное трение между продолжением проточного канала и запорным элементом. Кроме того, уплотнительный эффект будет обеспечиваться только в закрытом положении.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение трения уплотнений, которое не будет ускорять момент, необходимый для поворота клапана. В результате может быть уменьшена толщина поворотного вала, а также уменьшены и даже исключены протечки через уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что регулирующий клапан содержит корпус клапана, включающий первый и второй проточные каналы, соединенные между собой, поворотный чашеобразный затворный элемент, расположенный внутри корпуса клапана, и вал, выходящий из корпуса клапана для поворота затворного элемента, при этом внутренняя поверхность затворного элемента представляет собой поверхность вращения, на центральной оси которой размещен поворотный вал, а на боковой стороне затворного элемента расположено, по меньшей мере, одно отверстие, которое при открытом положении клапана соединено с проточными каналами корпуса клапана, кроме этого, корпус клапана выполнен с продолжением одного из проточных каналов, причем внешняя поверхность продолжения представляет собой поверхность вращения, соосную с внутренней поверхностью запорного элемента, примыкая к внутренней поверхности запорного элемента, а на боковой стенке ее расположено, по меньшей мере, одно отверстие, при этом отверстие запорного элемента расположено так, что при открытом положении клапана оно, по меньшей мере, частично перекрывает отверстие продолжения проточного канала, а в закрытом положении клапана отверстие продолжения проточного канала закрыто запорным элементом, причем продолжение в корпусе расположено со стороны второго проточного канала, а края отверстий в этом продолжении проточного канала снабжены уплотнителями, прилегающими к запорному элементу.

На конце продолжения проточного канала выполнен канал, который выходит в пространство в средней части внутренней поверхности затворного элемента, причем пространство отделено от остального пространства внутренней поверхности затворного элемента прокладкой, причем проточный канал может иметь, по меньшей мере, два отверстия.

Предпочтительно, количество отверстий продолжения проточного канала соответствует количеству отверстий затворного элемента, при этом отверстия продолжения проточного канала расположены на оси, которая проходит через центральную ось поворотного вала и перпендикулярно плоскости, которая проходит через центральную ось поворотного вала и ось первого проточного канала.

Отверстия продолжения проточного канала расположены симметрично относительно поворотного вала затворного элемента.

Внутренняя поверхность затворного элемента и внешняя поверхность продолжения проточного канала представляют собой цилиндрические или конические поверхности.

Уплотнители могут быть расположены на выпускной стороне затворного элемента, так что разность давлений по обе стороны уплотнителей при открытом положении клапана стремится оттянуть их от затворного элемента. Это уменьшает вращающий момент, необходимый для поворота затворного элемента.

Когда затворные уплотнители и проточные отверстия затворного элемента расположены симметрично относительно поворотного вала, к затворному элементу и его поворотному валу не прилагаются никакие поперечные силы, вынуждающие поддерживать эти детали. Следовательно, не возникает никаких сил трения, которые требовали бы увеличения крутящего момента.

Возникает только небольшой динамический момент, затрудняющий регулировку, поскольку область поверхности давления, обеспечивающая этот момент, представляет собой только поперечное сечение тонкой цилиндрической стенки там, где находится проточное отверстие. Стенки затворного элемента могут быть тонкими, поскольку силы, приложенные к элементу, симметричны и направлены только к точкам, где есть проточные отверстия. В остальной области силы давления сбалансированы.

Небольшой вращающий момент не требует большого поворотного вала, так что доля трения, вызываемая уплотнителями поворотного вала, т.е. прокладками, остается незначительной. Поскольку необходимость в крутящем моменте минимальна, можно использовать тонкий поворотный вал. Это дает возможность устанавливать маленькую прокладку вала с незначительным просачиванием через нее.

Далее, необходимость в меньшем крутящем моменте приводит к уменьшению размеров приводного устройства, а значит, к его удешевлению.

В клапане, соответствующем настоящему изобретению, кавитационные пузырьки легко охлопываются внутри клапана. Пик давления, порождаемый столкновением симметрично поступающих с противоположных направлений потоков, заставляет пузырьки схлопываться в центральной, изолированной, части клапана. По этой причине клапан работает тихо.

Клапан также может быть изготовлен без затворных уплотнителей. Даже в этом случае протечка будет минимальной. В закрытом положении просвет, влияющий на просачивание, можно минимизировать, поскольку не требуется никакого запаса на тепловое расширение. Причина в том, что выделение тепла из текучей среды расширяет затворный элемент больше, чем корпус внутри него. Поскольку диаметр затворного элемента больше, чем у корпуса, рабочий просвет увеличивается.

Краткое описание чертежей
Изобретение и его детали будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг. 1 представляет собой вертикальный разрез, изображающий клапан в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, при открытом положении клапана;
фиг. 2 представляет собой сечение по линии А-А, изображающее вид того же клапана сверху,
фиг. 3 представляет собой увеличенное вертикальное сечение в направлении B-B, изображающее деталь клапана в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, при открытом положении клапана;
фиг. 4 представляет собой увеличенное вертикальное сечение в направлении B-B, изображающее деталь клапана в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, при открытом состоянии клапана;
фиг. 5 представляет собой вертикальное сечение, изображающее клапан в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, при открытом положении клапана;
фиг. 6 представляет собой поперечное сечение, изображающее вид сверху клапана в соответствии с тем же вариантом осуществления.

Варианты осуществления изобретения
Согласно варианту осуществления изобретения, иллюстрированного фиг. 1-4, проточные каналы 2, 2', соединенные с трубопроводом, проходят к корпусу клапана 1. Крышка 3 корпуса крепится к корпусу болтами 4. Поворотный вал 6 затворного элемента 5 проходит сквозь крышку. Уплотняющий фланец 7 прокладки поворотного вала крепится к крышке болтами 8. Между уплотняющим фланцем и крышкой находится прокладка 9, окружающая вал.

Продолжение 10 второго проточного канала 2' проходит внутрь корпуса в направлении поворотного вала. Внешняя поверхность продолжения проточного канала имеет форму цилиндра, центральная ось которого совпадает с центральной осью поворотного вала 6. В середине пластинообразной внешней поверхности конца 11 цилиндра имеется цилиндрическая выступающая часть 12, в средней части которой проходит канал 13.

По боковым сторонам продолжения 10 проточного канала имеются два отверстия 14, расположенные на оси, пересекающей центральную ось поворотного вала 6 и перпендикулярной к плоскости, проходящей через центральную ось поворотного вала 6 и ось первого проточного канала 2.

Затворный элемент 5 имеет форму перевернутой вверх дном чашки, и поворотный вал 6 присоединен к внешней стенке дна 15 этой чашки, так что вал выступает вверх от дна чашки. Внутренняя поверхность затворного элемента 5 в основном соответствует внешней поверхности продолжения 10 проточного канала и прилегает к внешней поверхности продолжения проточного канала. Диаметр нижней части углубления 16 во внутренней поверхности дна 15 затворного элемента, указанное углубление 16 соответствует выступающей части 12 продолжения проточного канала, тем не менее несколько больше диаметра выступающей части 12, так что между углублением и выступающей частью размещена прокладка 17. Углубление 16 незначительно выше выступающей части 12, так что между углублением и выступающей частью остается пространство 18, куда открывается канал 13.

Нижняя поверхность крышки 3 клапана прилегает к уступу 19 дна 15 затворного элемента, так что между крышкой клапана и затворным элементом расположен подшипник 20.

По боковым сторонам затворного элемента 5 имеются два отверстия 21, которые при открытом положении клапана перекрывают отверстия 14 в продолжении 10 поточного канала. Диаметр внутренних сторон отверстий 14 продолжения проточного канала меньше диаметра наружных сторон этих отверстий, так что в отверстиях имеется уступ 22. Между уступом 22 отверстия 14 и затворным элементом установлен уплотнитель 23 с уступом 24, этот уплотнитель окружает внутреннюю поверхность отверстия. Гофрированная мембрана 25 давит на уступ 24 и прижимает уплотнитель 23 к внутренней поверхности затворного элемента 5. Отверстия 21 затворного элемента меньше отверстий 14 продолжения проточного канала, так что при открытом положении клапана уплотнитель 23 будет расположен напротив краев отверстия 21 затворного элемента.

Между затворным элементом 5 и корпусом 1 клапана имеется кольцевой проход 26, окружающий затворный элемент и соединяющийся с первым проточным каналом 2.

Первый проточный канал 2 является впускным концом клапана, а второй проточный канал 2' является его выпускным концом. При открытом положении клапана отверстия 21 затворного элемента соединены с отверстиями 14 продолжения второго проточного канала, обеспечивая текучей среде течь из первого проточного канала 2 через отверстия в продолжение второго проточного канала 10 и далее во второй проточный канал 2'. Затворный элемент можно плавно поворачивать посредством поворотного вала 6 так, чтобы отверстия затворного элемента частично или полностью отодвигались от отверстий продолжения проточного канала и последние закрывались стенкой затворного элемента.

В клапане, согласно настоящему изобретению, радиальные силы уравновешиваются, когда разность давлений по обе стороны отверстий 21 затворного элемента в закрытом и регулирующем положениях компенсируют друг друга. Таким образом, момент, необходимый для поворота клапана, является незначительным.

Подшипник поворотного вала 6 подвергается осевым воздействиям давления впускного и выпускного концов. Осевые силы уравновешиваются подачей выпускного давления в пространство 18 под затворным элементом. В закрытом и регулирующем положениях это давление всегда меньше давления выпускного конца.

Прокладка 17 ограничивает внутреннюю поверхность затворного элемента областью круговой поверхности, центр которой является центром поворотного вала. Таким образом, сила, толкающая поворотный вал затворного элемента внутрь, обусловлена давлением впускного конца на область, равную области, соответствующей внешнему диаметру затворного элемента 5 без области поперечного сечения поворотного вала 6 в положении прокладки 9. Сила, выталкивающая поворотный вал 6 наружу, обусловлена давлением впускного конца на область поверхности, которая равна области, соответствующей внешнему диаметру затворного элемента 5 без области поперечного сечения выступающей части 12. Если давление выпускного конца в закрытом положении такое же, как атмосферное давление, никакие другие осевые силы не возникают.

Когда затворный элемент открывается, возрастающее давление выпускного конца действует через канал 13 на область, ограниченную прокладкой 17, и чем больше открывается затворный элемент, чем больше возрастает давление, которое стремится вытолкнуть поворотный вал 6 наружу. Переменной составляющей суммы осевых сил является только сила давления, действующая в пространстве 18. Задавая соответствующие размеры области поперечного сечения пространства 18, т.е. задавая диаметр указанного пространства, можно уравновесить силы осевого давления в нужном регулирующем положении затворного элемента. Такое положение возможно, когда диаметр выступающей части 12 больше диаметра поворотного вала 6 в положении прокладки 9.

Разность давлений, возникающая по обе стороны точки дросселирования отверстий 14 продолжения проточного канала, обеспечивает при положении регулировки силу, освобождающую уплотнители 23, так что уплотнители отходят от внутренней поверхности затворного элемента 5.

Благодаря балансировке и ослаблению сил силы трения, действующие в области клапана, оказываются незначительными, что дает возможность использовать небольшое приводное устройство.

Кавитационные пузырьки схлопываются внутри продолжения 10 проточного канала, когда сталкиваются друг с другом, поступая с противоположных направлений.

Фиг. 3 иллюстрирует вариант осуществления, согласно которому между продолжением проточного канала и затворным элементом не имеется никаких уплотнителей. Даже в закрытом положении уплотнитель не обеспечивает полную герметичность, допуская некоторое протекание. Для определенных целей достаточна и такого рода конструкция.

Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления, согласно которому отверстия в уплотнителях 23 дополнительно снабжены ослабляющими элементами 27 для уменьшения шума и кавитации. Перфорированные ослабляющие элементы делят поток на несколько отдельных потоков. При необходимости можно вставить ослабитель также внутрь продолжения проточного канала.

Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг. 5, второй проточный канал 2' расположен параллельно поворотному валу затворного элемента.

Количество отверстий в затворном элементе и в проточном канале также может быть не только два - на периферии затворного элемента может быть одно такое отверстие или несколько равномерно распределенных отверстий. Фиг. 6 иллюстрирует вариант осуществления, согласно которому число отверстий в затворном элементе и проточном канале равно трем, и они равномерно распределены и расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через центральную ось поворотного вала и первый проточный канал. В случае лишь одного отверстия возникает боковая сила. Если уровень давления в клапане невысокий, боковая сила не создает существенных затруднений.

Поток в клапане может также идти в направлении, противоположном тому, как было указано выше. Иными словами, впускным концом может быть проточный канал 2' с присоединенным к нему продолжением 10. Поток будет направлен изнутри затворного элемента наружу. В этом случае, однако, уплотнители, расположенные на выпускной стороне затворного элемента в открытом положении, не отходят от затворного элемента, а следовательно, трение не уменьшается.

Внешняя поверхность продолжения 10 проточного канала и внутренняя поверхность затворного элемента 5, пригнанные друг к другу, могут иметь форму, отличную от цилиндрической, например коническую, или форму части сферы.

Конфигурация отверстий в затворном элементе и в проточном канале может быть различной, например, каплевидной или V-образной. Изменяя конфигурацию отверстий, можно при необходимости изменять характеристики потока.

Когда требуется упростить конструкцию, балансировку осевых сил можно исключить, поскольку влияние этих сил незначительно по сравнению с уплотнительными силами.

Изобретение предназначено для использования в трубопроводной арматуре. Регулирующий клапан содержит корпус клапана, включающий соединенные между собой первый и второй проточные каналы, поворотный чашеобразный затворный элемент, расположенный внутри корпуса клапана, и вал, выходящий из корпуса клапана для поворота затворного элемента. Внутренняя поверхность затворного элемента представляет собой поверхность вращения, на центральной оси которой размещен поворотный вал. На боковой стороне затворного элемента расположено, по меньшей мере, одно отверстие. Оно при открытом положении клапана соединяется с проточными каналами корпуса клапана. Корпус клапана выполнен с продолжением одного из проточных каналов. Внешняя поверхность продолжения представляет собой поверхность вращения, соосную с внутренней поверхностью затворного элемента, примыкая к внутренней поверхности затворного элемента. В боковой стенке ее расположено, по меньшей мере, одно отверстие. Последнее расположено таким образом, что при открытом положении клапана оно, по меньшей мере, частично перекрывает отверстие продолжения проточного канала. В закрытом положении клапана отверстие продолжения проточного канала закрыто затворным элементом. Продолжение в корпусе расположено со стороны второго проточного канала. Края отверстий в этом продолжении проточного канала снабжены уплотнителями, прилегающими к затворному элементу. Изобретение позволяет уменьшить силы трения в поворотных клапанах и обеспечить точную регулировку расхода. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Регулирующий клапан, содержащий корпус клапана, включающий первый и второй проточные каналы (2,2 ), соединенные между собой, поворотный чашеобразный затворный элемент (5), расположенный внутри корпуса клапана, и вал (6), выходящий из корпуса клапана для поворота затворного элемента, при этом внутренняя поверхность затворного элемента (5) представляет собой поверхность вращения, на центральной оси которой размещен поворотный вал (6), а на боковой стороне затворного элемента расположено, по меньшей мере, одно отверстие (21), которое при открытом положении клапана соединено с проточными каналами (2,2 ) корпуса клапана, кроме этого, корпус клапана выполнен с продолжением одного из проточных каналов, причем внешняя поверхность продолжения представляет собой поверхность вращения, соосную с внутренней поверхностью запорного элемента (5), примыкая к внутренней поверхности запорного элемента, а в боковой стенке ее расположено, по меньшей мере, одно отверстие (14), при этом отверстие (21) запорного элемента расположено так, что при открытом положении клапана оно, по меньшей мере, частично перекрывает отверстие (14) продолжения проточного канала, а в закрытом положении клапана отверстие (14) продолжения проточного канала закрыто запорным элементом (5), отличающийся тем, что продолжение в корпусе расположено со стороны второго проточного канала (2 ), а края отверстий (14) в этом продолжении проточного канала снабжены уплотнителями (23), прилегающими к запорному элементу (5). 2. Регулирующий клапан по п. 1, отличающийся тем, что уплотнители (23), прилегающие к затворному элементу (5), расположены на выпускной стороне затворного элемента. 3. Регулирующий клапан по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на конце продолжения (10) проточного канала выполнен канал (13), который выходит в пространство (18) в средней части внутренней поверхности затворного элемента (5), причем пространство (18) отделено от остального пространства внутренней поверхности затворного элемента прокладкой (17). 4. Регулирующий клапан по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что количество отверстий (14) продолжения (10) проточного канала соответствует количеству отверстий (21) затворного элемента (5). 5. Регулирующий клапан по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что проточный канал имеет, по меньшей мере, два отверстия, при этом отверстия (14) продолжения (10) проточного канала расположены симметрично относительно поворотного вала (6) затворного элемента (5). 6. Регулирующий клапан по п. 5, отличающийся тем, что отверстия (14) продолжения (10) проточного канала расположены по оси, которая проходит через центральную ось поворотного вала (6) и перпендикулярно плоскости, которая проходит через центральную ось поворотного вала (6) и ось первого проточного канала (2). 7. Регулирующий клапан по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что внутренняя поверхность затворного элемента (5) и внешняя поверхность продолжения (10) проточного канала представляют собой цилиндрические или конические поверхности.