РАЗГРУЖЕННЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 2003 года по МПК F16K39/02 F01D17/10 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при конструировании регулирующих клапанов для паровых турбин.

Известен разгруженный регулирующий клапан, содержащий паровую коробку с диффузорным седлом и соосной с ним запорной чашей, в которой выполнен разгрузочный клапан (авт. св. СССР 1513158, F 01 D 17/14, 1988). На выходе в разгрузочную полость установлено уплотнение в виде гайки с прорезями, закрепленной на внутренней поверхности запорной чаши. В прорезях установлены трапецеидальные вставки для выравнивания переменного усилия на шток по мере открытия клапана.

Такое решение повышает устойчивость клапана, однако не исключает возможность "всплытия" запорной чаши при частичных открытиях клапана под воздействием реакции струи пара между седлом и запорной чашей.

Известен разгруженный регулирующий клапан для паровых турбин, содержащий паровую коробку, основной клапан с соосно расположенными профилированной запорной чашей и диффузорным седлом, приводной шток, жестко установленную направляющую буксу, разгрузочный клапан с седлом и закрепленной на приводном штоке чашей разгрузочного клапана, жестко связанную с запорной чашей силовую диафрагму с отверстиями связи разгрузочной полости и паровую коробку (авт. св. СССР 1539335, F 01 L 17/14, 1988). При этом на буксе установлены элементы перекрытия отверстий связи с уменьшающимся по ходу пара сечением. Отверстия связи расположены по периметру силовой диафрагмы, а элементы перекрытия выполнены в виде заостренных штырей, входящих по мере открытия клапана в отверстия силовой диафрагмы. Такое решение обеспечивает подгружение клапана по мере его открытия, что предохраняет клапан от "всплытия" запорной чаши, однако не позволяет выдерживать оптимальный режим подгружения по причине протечек пара, возникающих из-за наличия неизбежных зазоров, образующихся при вхождении нескольких штырей в отверстия связи, а также вследствие несовпадения осей элементов перекрытия и отверстий связи, возникающих в процессе эксплуатации из-за износа элементов клапана и действия нестационарных сил парового потока, приводящих к осевому развороту запорной чаши.

Указанные недостатки, возникающие за счет неконтролируемых протечек пара, устраняются в разгруженном регулирующем клапане, известном из патента RU 2027025, F 01 D 17/10, 1992. Данное изобретение является наиболее близким аналогом к заявляемому клапану и выбрано в качестве прототипа.

Известный клапан по патенту RU 2027025 содержит паровую коробку 1 и установленные соосно основной клапан с профилированной запорной чашей и диффузорным седлом, приводной шток, разгрузочный клапан с запорной чашей и седлом, защитный стакан с окнами для прохода пара, фигурную втулку с осевым каналом, установленную на запорной чаше основного клапана, запорную втулку с конической носовой частью, установленную с возможностью перекрытия ею осевого канала фигурной втулки при подъеме штока, и камеру разгрузки, выполненную в виде полости, образованной фигурной втулкой и чашей основного клапана с седлом разгрузочного клапана.

Указанный клапан позволяет избежать нарушения стабильности подгружения клапана из-за протечек пара, однако при использовании клапанов подобного типа уже при половинном подъеме клапана заметно увеличивается статическое усилие на штоке. При таком увеличении максимальных перестановочных усилий у некоторых типов турбин могут возникнуть проблемы с сервомоторами. Кроме того, в таких клапанах наблюдается повышенная пульсация сил на штоках в узком диапазоне их открытия.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является устранение вибрации штока при всех открытиях клапана и снижение статических нагрузок на штоке путем снижения пульсаций давления, возникающих на внешней поверхности рабочего органа клапана при повышении надежности клапана и увеличении его срока службы.

Технический результат достигается тем, что в известном разгруженном регулирующем клапане, содержащем паровую коробку и установленные соосно основной клапан с профилированной запорной чашей и диффузорным седлом, приводной шток, разгрузочный клапан с запорной чашей и седлом, защитный стакан с окнами для прохода пара, фигурную втулку с осевым каналом, установленную на запорной чаше основного клапана, запорную втулку с конической носовой частью, установленную с возможностью перекрытия ею осевого канала фигурной втулки при подъеме штока, и камеру разгрузки, выполненную в виде полости, образованной фигурной втулкой и чашей основного клапана с седлом разгрузочного клапана, новым является то, что клапан снабжен дополнительной камерой разгрузки, выполненной в виде полости, образованной седлом разгрузочного клапана со стороны его выходного отверстия и внутренней поверхностью запорной чаши основного клапана, сообщающейся с ее наружной поверхностью посредством сквозных каналов, выполненных в чаше, выходные отверстия которых расположены ниже посадочного диаметра запорной чаши основного клапана и равномерно распределены по ее профилированной поверхности.

Кроме того, головка штока выполнена профилированной в соответствии с профилем седла разгрузочного клапана и является чашей разгрузочного клапана, а клапан снабжен второй дополнительной камерой разгрузки, образованной полостью, выполненной внутри фигурной втулки и расположенной между входным и выходным отверстиями ее осевого канала, при этом вторая дополнительная камера разгрузки сообщается с камерой разгрузки посредством выполненных в фигурной втулке сквозных каналов, выходные отверстия которых расположены выше зоны контакта головки штока с фигурной втулкой при подъеме штока.

Кроме того, запорная втулка установлена с возможностью полного перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока на величину h≥0,2 Д, где h - высота подъема штока, мм; Д - диаметр критического сечения диффузорного седла, мм.

Преимущества заявляемого разгруженного регулирующего клапана обеспечиваются за счет предложенных изменений в его конструкции.

Снабжение клапана дополнительной камерой разгрузки, сообщающейся с наружной поверхностью запорной чаши посредством сквозных каналов, выходные отверстия которых расположены ниже посадочного диаметра запорной чаши основного клапана и равномерно распределены по ее профилированной поверхности, позволяет снизить пульсации давления на наружной поверхности запорной чаши и соответственно пульсацию сил на штоке.

Выполнение головки штока профилированной и выполнение ею функций чаши разгрузочного клапана позволяет повысить надежность работы клапана, а наличие второй дополнительной камеры, выполненной внутри фигурной втулки и сообщающейся с камерой разгрузки посредством выполненных в фигурной втулке сквозных каналов, выходные отверстия которых расположены выше зоны контакта головки штока с фигурной втулкой при подъеме штока, обеспечивает создание условий стабильного течения пара по всему тракту разгрузки, что способствует достижению стабильности действующих статических сил и снижению их величин на штоке.

Установка запорной втулки с возможностью полного перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока на величину h≥0,2 Д позволяет оптимизировать процесс подгружения запорной чаши клапана при низких значениях перестановочных усилий на штоке, повысить устойчивость системы регулирования и снизить пульсацию сил на штоке.

Сущность предлагаемых технических решений иллюстрируется следующими чертежами:
фиг.1 - продольное сечение заявляемого клапана в открытом положении;
фиг.2 - продольное сечение заявляемого клапана в закрытом положении.

Заявляемый разгрузочный регулирующий клапан содержит паровую коробку 1 с диффузорным седлом 2 основного клапана, установленным на выходе клапана, и крышкой 3. Входное отверстие клапана на чертежах не показано. К крышке прикреплена запорная втулка 7 с конической носовой частью, внутри которой выполнен осевой канал. Снаружи на запорной втулке 7 установлен защитный стакан 4 с окнами 5 для прохода пара. Соосно с диффузорным седлом 2 расположена запорная чаша 9 основного канала, внутри которой установлено седло 10 разгрузочного клапана, а снаружи - фигурная втулка 12, имеющая осевой канал, которая крепится к верхней части чаши 9. В осевых каналах конической и фигурной втулок установлен приводной шток 8. Головка штока 8 может быть выполнена профилированной в соответствии с профилем седла 10 разгрузочного клапана и являться чашей 11 разгрузочного клапана. У клапана имеется камера разгрузки 15, выполненная в виде полости, образованной фигурной втулкой 12, чашей 9 основного клапана и седлом 10 разгрузочного клапана. Клапан также снабжен дополнительной камерой разгрузки 16, выполненной в виде полости, образованной седлом 10 разгрузочного клапана со стороны его выходного отверстия и внутренней поверхностью запорной чаши 9 основного клапана. Указанная полость сообщается с наружной поверхностью чаши 9 посредством сквозных каналов 17, выполненных в чаше 9. Выходные отверстия каналов 17 расположены ниже посадочного диаметра запорной чаши 9 основного клапана и равномерно распределены по ее профилированной поверхности. Кроме того, клапан может быть снабжен второй дополнительной камерой разгрузки 18, образованной полостью, выполненной внутри фигурной втулки 12. Указанная камера 18 сообщается с камерой разгрузки 15 посредством сквозных каналов 19, выполненных в фигурной втулке 12. Выходные отверстия каналов 19 расположены выше зоны контакта головки 11 штока 8 с фигурной втулкой 12 при подъеме штока. Камера 18 через осевое отверстие 13 во втулке 12, лабиринтное уплотнение 20 и окна 5 в защитном стакане 4 может сообщаться с полостью паровой коробки 1 при опущенном штоке 8. Рекомендуется устанавливать запорную втулку 7 с возможностью полного перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока на величину h≥0,2 Д, где h - высота подъема штока, мм; Д - диаметр критического сечения диффузорного седла 2.

Клапан работает следующим образом.

При перемещении под действием сервомотора штока 8 чаша 11 разгрузочного клапана, совмещенная с головкой штока, поднимается и открывается разгрузочное отверстие в седле 10. Тогда пар из паровой коробки 1 (входное отверстие которой на чертеже не показано) через окна 5 в защитном стакане, лабиринтное уплотнение 20 в кольцевом зазоре между запорной 7 и фигурной 12 втулками и отверстие 13 в фигурной втулке попадает во вторую дополнительную камеру разгрузки 18 и из нее через осевой канал фигурной втулки и каналы 19, а при дальнейшем подъеме штока после того, как он войдет в контакт с фигурной втулкой 12, только через каналы 19 попадает в камеру разгрузки 15 и через отверстие в седле 10 в первую дополнительную камеру разгрузки 16, откуда через каналы 17 в запорной чаше 9 поступает в полость диффузорного седла 2. Соответственно осуществляется выравнивание давления во внутренней полости клапана и на его выходе, происходит разгрузка клапана и резко уменьшается усилие на штоке, необходимое для открытия запорной чаши 9 основного клапана. При дальнейшем ходе штока 8 его головка упирается в фигурную втулку 12, жестко соединенную с запорной чашей 9, и происходит ее подъем, сопровождающийся увеличением кольцевого зазора между чашей 9 и диффузорным седлом 2, увеличивающийся по мере подъема штока 8, от величины которого зависит количество пара, поступающего в турбину. Возникающие при обтекании паром наружной профилированной поверхности чаши 9 пульсации давления гасятся в каналах 17, и в первой дополнительной камере разгрузки 16 сохраняется стабильное давление, обеспечивающее отсутствие пульсаций действующих сил на штоке. Таким образом, перфорированная поверхность чаши 9 выполняет роль аэродинамического фильтра, обеспечивающего эффективное гашение возможных пульсаций. При последующем ходе штока при достижении h≥0,2 Д, где h - ход штока, Д - диаметр критического сечения диффузорного седла (соотношение установлено экспериментальным путем) перестановочное усилие на штоке падает практически до нуля. Это вызывает необходимость дополнительного подгружения чаши 11 разгрузочного клапана, что достигается повышением давления в камерах разгрузки и обеспечивается перекрытием доступа пара из паровой коробки 1 в камеры разгрузки посредством перекрытия стенками фигурной втулки 4 окон 5 в защитном стакане 4 и конической носовой частью запорной втулки 7 отверстия 13. Полное перекрытие доступа пара из паровой коробки в разгрузочные камеры достигается при подъеме штока на высоту h≥0,2 Д. В результате чаша 9 вместе с фигурной втулкой 12 оказывается плотно прижатой к головке штока 11 и при большей величине (h≥0,2 Д) открытия клапана. Закрытие клапана происходит в обратном порядке.

Разгруженный регулирующий клапан может найти широкое применение в различных областях машиностроения, преимущественно при его использовании в качестве регулирующих клапанов для паровых турбин. Заявленная конструкция клапана позволяет уменьшить статическое усилие на штоке и снизить пульсации давления, возникающие на профилированной поверхности рабочего органа клапана при открытии клапана, что повышает надежность клапана, увеличивает срок его службы и снижает прочностные требования к штоку.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и предназначено для использования при конструировании регулирующих клапанов для паровых турбин. Разгрузочный регулирующий клапан содержит паровую коробку и установленные соосно основной клапан с профилированной запорной чашей и диффузорным седлом, приводной шток, разгрузочный клапан с запорной чашей и седлом, защитный стакан с окнами для прохода пара, фигурную втулку с осевым каналом. Фигурная втулка установлена на запорной чаше основного клапана. Запорная втулка с конической носовой частью установлена с возможностью перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока. Камера разгрузки выполнена в виде полости, образованной фигурной втулкой и чашей основного клапана с седлом разгрузочного клапана. Клапан снабжен дополнительной камерой разгрузки. Последняя выполнена в виде полости. Полость образована седлом разгрузочного клапана со стороны его выходного отверстия и внутренней поверхностью запорной чаши основного клапана и сообщается с ее наружной поверхностью посредством сквозных каналов, выполненных в чаше. Выходные отверстия сквозных каналов расположены ниже посадочного диаметра запорной чаши основного клапана и равномерно распределены по ее профилированной поверхности. Изобретение позволяет исключить условия, способствующие возникновению вибрации в клапанах для паровых турбин, снизить нагрузку на их шток и повысить надежность и срок службы клапана. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Разгруженный регулирующий клапан, содержащий паровую коробку и установленные соосно основной клапан с профилированной запорной чашей и диффузорным седлом, приводной шток, разгрузочный клапан с запорной чашей и седлом, защитный стакан с окнами для прохода пара, фигурную втулку с осевым каналом, установленную на запорной чаше основного клапана, запорную втулку с конической носовой частью, установленную с возможностью перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока, и камеру разгрузки, выполненную в виде полости, образованной фигурной втулкой и чашей основного клапана с седлом разгрузочного клапана, отличающийся тем, что клапан снабжен дополнительной камерой разгрузки, выполненной в виде полости, образованной седлом разгрузочного клапана со стороны его выходного отверстия и внутренней поверхностью запорной чаши основного клапана, сообщающейся с ее наружной поверхностью посредством сквозных каналов, выполненных в чаше, выходные отверстия которых расположены ниже посадочного диаметра запорной чаши основного клапана и равномерно распределены по ее профилированной поверхности. 2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что головка штока выполнена профилированной в соответствии с профилем седла разгрузочного клапана и является чашей разгрузочного клапана, а клапан снабжен второй дополнительной камерой разгрузки, образованной полостью, выполненной внутри фигурной втулки и расположенной между входным и выходным отверстиями ее осевого канала, при этом вторая дополнительная камера сообщается с камерой разгрузки посредством выполненных в фигурной втулке сквозных каналов, выходные отверстия которых расположены выше зоны контакта головки штока с фигурной втулкой при подъеме штока. 3. Клапан по п. 1 или 2, отличающийся тем, что запорная втулка установлена с возможностью полного перекрытия ее конической частью осевого канала фигурной втулки при подъеме штока на величину h≥0,2 Д, где h - высота подъема штока, мм; Д - диаметр критического сечения диффузорного седла, мм.