УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ЗАТВОР Российский патент 2003 года по МПК F16K39/02 

Изобретение относится к области машиностроения и промышленного арматуростроения, в частности к конструкциям и устройствам трубопроводной арматуры, предназначенной для перемещения жидких, газообразных и сыпучих материалов.

Промышленная трубопроводная арматура имеет широкое применение в самых различных системах трубопроводов, агрегатов, установок, работающих под воздействием проводимой среды и при одновременном воздействии давления и температуры. Основное назначение трубопроводной арматуры - управление потоками среды и параметрами, характеризующими эти потоки: скорость, давление, расход и т.д., путем перекрытия потока или его открывания.

Известно большое количество конструкций трубопроводной арматуры, подразделяемых в зависимости от функционального назначения и способа перекрытия потока среды на различные типы, например задвижка, клапан, затвор, кран, заслонка и др. По существу все известные типы арматуры представляют собой затворы, изменяющие площадь и конфигурацию поперечного проходного сечения проточной части в процессе его открывания и закрывания, при этом перемещение запорного органа у арматуры упомянутых видов относительно потока среды и проходного сечения отличаются по траектории, например, клапаны совершают возвратно-поступательное перемещение параллельно направлению потока и перпендикулярно плоскости проходного сечения, в то время как у задвижек поток среды перекрывается движением диска задвижки перпендикулярно направлению потока.

Для управления (открытие - закрытие) арматурой очень важно, чтобы перемещение затвора (клапана, золотника, заслонки, пробки и т.п.) от положения "закрыто" до положения "открыто" и обратно осуществлялось по минимальному по протяженности пути и с минимальным усилием привода. При этом в положении "открыто" площадь проходного сечения должна быть максимальной, чтобы обеспечивать максимальную пропускную способность трубопроводной системы и ее минимальное гидравлическое сопротивление.

По методу управления арматура может быть управляемой и автоматически действующей. Управляемая арматура может иметь ручной или автоматический привод. Арматура с ручным приводом снабжается маховиком или рукояткой. В качестве автоматического привода может применяться электромеханический, электромагнитный, мембранный, поршневой, сильфонный и др.

Известна, например, конструкция поворотного клапана, см. рис. 2.115 [Справочник конструктора трубопроводной арматуры - Л.: Машиностроение, 1987] , у которого ось поворота диска (захлопки) вынесена за пределы проходного сечения. Такие поворотные клапаны не чувствительны к загрязненности среды, позволяют контролировать положение захлопки и использовать демпфирующие устройства для предотвращения гидравлического удара при резком закрытии клапана. Однако такая конструкция клапана обратного клапана при открытом его положении постоянно находится в движении в связи с гидродинамическими возмущениями, создаваемыми в потоке. При этом происходит колебательное движение затворов поворотного клапана и, как следствие, интенсивный износ оси и проушины захлопки.

Также известен поворотный клапан, см. там же рис. 2.118, который по конструкции является невозвратно-запорным и снабжен электроприводом. В нем реализован принцип поворотного дискового затвора, работающего в режиме, когда поток рабочей среды направлен под тарелку затвора. Однако для клапана такой конструкции требуется большое усилие для перекрытия потока, а также большая величина рабочего хода.

Известно также техническое решение, реализованное в патенте США 3623696 и выпускаемое под торговой маркой "Camflex^®". Это решение представляет собой затвор в виде диска специальной конструкции, ось вращения которого эксцентрично смещена относительно оси входного (выходного) сечения патрубков. В этом решении диск затвора для обеспечения герметичности перемещается по очень сложной криволинейной траектории и требует приложения мощных усилий от приводного механизма, что существенно осложняет изготовление данной арматуры.

В целом многие имеющиеся современные конструкции клапанов полностью отвечают своему назначению и достаточно надежно работают в различных видах трубопроводного транспорта. Однако необходимо отметить, что большинство рассмотренных типов арматуры имеют, как правило, монофункциональное применение. При условии, когда необходимо насыщение трубопровода арматурой различного назначения с достаточно высокой стоимостью, исчисляемой в десятках тысяч долларов за единицу, это неизбежно ведет к удорожанию изделий или систем, в составе которых работает такая арматура. Поэтому наиболее актуальным в этой отрасли сегодня становится вопрос разработки универсальной арматуры, сочетающей в себе многофункциональные возможности и позволяющей уменьшить применяемую в трубопроводах номенклатуру арматуры.

В связи с этим за прототип выбрано техническое решение по патенту РФ 02117845 "Обратный клапан", конструкция которого позволяет совместить функции регулирующего и обратного клапана. Однако для выполнения этих функций требуется каждый раз его переналадка В этом решении роль регулирующего механизма выполняет полый шпиндель, закрепленный в крышке корпуса, в котором может располагаться съемный шток, упирающийся в упор, установленный на затворе. Применение конструкции такого технического решения очень ограничено из-за необходимости специальной переналадки для ее использования в качестве обратного клапана или для регулирования расхода потока. Причем для перехода от одного режима использования к другому требуется каждый раз дополнительная регулировка клапана и отключение системы трубопровода, т.к. данный клапан не является герметичным по отношению к внешней среде.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании такой конструкции арматуры, которая сочетает возможности и достоинства разных типов арматуры, а именно представляет собой комбинацию клапана и поворотного затвора и при этом обладает минимальным гидравлическим сопротивлением потоку проводимой среды, имеет возможно более короткую траекторию перемещения запорного органа для полного открытия проходного сечения, а также не требует больших усилий для управления потоком рабочей среды и при создании герметичности в затворе. Основной технический результат, который обеспечивает решение указанной задачи, заключается в уменьшении рабочего хода затвора за счет последовательного сложения двух независимых движений - прямолинейно-поступательного для клапана и вращательного для поворотного затвора, осуществляемые при поступательном движении приводного механизма. Частным случаем достижения этого технического результата является использование в предлагаемой конструкции арматуры кривошипно-шатунного механизма, вращающего поворотный затвор (тарелку) от усилия, создаваемого приводным механизмом. Другим техническим результатом этого решения является разгрузка и уравновешивание действующих сил, создаваемых энергией проводимой среды и силового привода за счет встроенного в поворотный диск затвора перепускного клапана.

Решение указанной задачи может быть реализовано совокупностью существенных признаков, имеющихся в независимом пункте изобретения, т.е. при создании универсального затвора многофункционального назначения, который может работать как запорный, так и запорно-регулирующий орган в широком диапазоне рабочих параметров, включая давление и температуру, для самых разнообразных проводимых рабочих сред.

Для пояснения сущности изобретения прилагается схематическое изображение универсального комбинированного затвора, выполненное на чертеже.

Конструкция универсального комбинированного затвора, изображенная на чертеже, состоит из корпуса 1, имеющего полости А и Б, и в котором установлено седло 2, перекрываемое поворотной тарелкой 3, подвешенной на оси 4. В тарелку 3 встроены седло клапана 5 и перепускной клапан 6, разделяющий полости А и Б в проточной части корпуса 1. С другой стороны клапан 6 связан через шарнир 7 с хомутом 8, который в свою очередь также шарнирно через ось 9 соединен с вилкой 10, образующей совместно с сильфоном 11 и направляющей 12 герметичное относительно внешней среды соединение. В сильфон 11 встроен винтовой привод, образованный винтовой парой 13-14 и рукояткой 15.

В положении, указанном на чертеже, универсальный комбинированный затвор изображен в положении "закрыто", т.е. полости А и Б корпуса 1 герметично разделены тарелкой 3, прижатой к седлу 2 и находящейся в положении, изображенном римской I. Встроенный внутри тарелки 3 перепускной клапан 6 также в этом положении разделяет полости А и Б корпуса 1, образуя герметичное соединение с седлом 5. Давление рабочей среды направлено по направлению стрелки (Ру) справа - налево и также содействует прижатию тарелки 3 и клапана 6 к своим седлам за счет чего образуется перепад давлений в полостях А и Б, равное разности давления Ру и давления в полости Б, примерно равного атмосферному или давлению в системе. Положение тарелки 3, изображенное пунктирной линией и римской II, соответствует положению "открыто".

Открытие универсального комбинированного затвора осуществляется в следующей последовательности: вращением винтовой пары 13-14 через рукоятку 15 клапан 6 перемещается поступательно и прямолинейно на величину x₁, выбирая зазор между клапаном и упором в тарелке. Вследствие этого происходит разгерметизация полостей А и Б относительно друг друга и выравнивание давления в этих полостях. После выравнивания давления в полостях А и Б тарелка 3 будет находиться в динамическом равновесии.

При дальнейшем движении винтового привода клапан 6, дойдя до упора в тарелке 3, продолжает прямолинейное перемещение, а тарелка 3 под действием этого усилия начинает поворачиваться через шарнир 7 и хомут 8 относительно неподвижной оси 4. В результате фиксированного положения клапана 6 образуется система кривошипно-шатунного механизма, в котором роль ползуна выполняет вилка 10, шатуна - хомут 8, а кривошипом становится тарелка 3 вместе с клапаном 6. При перемещении винтового привода на величину х₂ тарелка 3 поворачивается из положения I в положение II, открывая полностью проход для рабочей среды из полости А в полость Б. Процесс закрывания арматуры происходит в обратном порядке вращением рукоятки винтового привода в противоположном направлении. При этом тарелка 3, вращаясь как кривошип относительно оси 4 в обратном направлении, приходит из положения II в положение I и садится на седло 2, а клапан 6 выбирает зазор x₁ и садится на седло 5. В результате разделения полостей А и Б под действием давления Ру вновь возникает усилие, надежно герметизирующее арматуру в положении "закрыто".

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции и устройствам трубопроводной арматуры многофункционального назначения, и предназначено для работы в качестве как запорного, так и запорно-регулирующего органа в широком диапазоне рабочих параметров различных рабочих сред. Универсальный комбинированный затвор содержит герметичные корпус с седлом и крышку, установленную на оси вращения поворотную тарелку и перепускной клапан. Перепускной клапан встроен в поворотную тарелку. Ось клапана не совпадает с осью вращения поворотной тарелки. Управление прямолинейным перемещением клапана и вращательным движением поворотной тарелки осуществляется последовательно от общего привода. Изобретение направлено на уменьшение усилий для управления потоком рабочей среды и на уменьшение рабочего хода затвора за счет последовательного сложения двух независимых движений, осуществляемых при поступательном движении приводного механизма. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Универсальный комбинированный затвор, содержащий герметичные корпус с седлом и крышку, поворотную тарелку, установленную на оси вращения, и перепускной клапан, отличающийся тем, что перепускной клапан встроен в поворотную тарелку, причем ось клапана не совпадает с осью вращения поворотной тарелки, а управление прямолинейным перемещением клапана и вращательным поворотной тарелки осуществляется последовательно от общего привода.2. Универсальный затвор по п.1, отличающийся тем, что детали тарелки и привода образуют кривошипно-шатунный механизм, служащий для вращательного перемещения поворотной тарелки.