ОТСЕЧНОЙ КЛАПАН Российский патент 2003 года по МПК F16K17/38 

Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению, а именно к быстродействующим отсекателям трубопроводов. Изобретение может быть использовано в системах автоматической аварийной отсечки каналов вентиляции промышленных помещений, через которые возможен выход в окружающую среду вредных продуктов взрывной аварии, в технологических установках и локализующих системах химической и атомной промышленности.

Известен блок пироклапанов (патент РФ 2068143, МКИ 6 F 16 К 17/40, опубл. 20.10.96), содержащий корпус с двумя впускными и соответствующими им выпускными отверстиями, в полости корпуса размещен шток механизма переключения, срабатывающий от пиропривода, размещенного в корпусе. Во впускных отверстиях установлены нормально открытые обратные клапаны, снабженные фиксаторами открытого положения тарелей. Фиксаторы связаны со штоком и установлены с возможностью расфиксации тарелей при срабатывании пиропривода. После расфиксации тарели обратных клапанов перемещаются под действием приводных пружин в положение "закрыто" и отсекают одновременно оба канала.

Недостатками данного блока пироклапанов является невысокое быстродействие и надежность вследствие того, что привод тарелей клапанов осуществляется пружинами, а не давлением продуктов сгорания заряда пиросостава.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является запорный пироклапан по авторскому свидетельству СССР 599126, МКИ F 16 К 17/40, опубл. БИ 11 25.03.78.

Пироклапан является дополнением к основному изобретению по авторскому свидетельству СССР 187463 МКИ F 16 К 17/40, опубл. БИ 20 11.10.66 и представляет собой корпус с проточной частью в виде конического седла, в котором заклинивается запорный орган в форме усеченного конуса с уплотнительным пояском. Запорным органом управляет пиромеханизм. К поверхности конического седла подведен входной или выходной канал. Коническое седло выполнено двухслойным. Внешняя оболочка седла изготовлена из материала с повышенным сопротивлением пластической деформации (сталь 12Х18Н10Т), а внутренняя оболочка - из материала, обладающего повышенной пластичностью (латунь ЛС-59-I). После срабатывания пиромеханизма под давлением образовавшихся газов запорный орган перемещается и заклинивается в седле за счет пластической деформации его внутренней оболочки.

Такие клапаны применяют в пневмогидросистемах летательных аппаратов, испытательных стендах, где применяются трубопроводы малого сечения.

Применительно к использованию данного клапана для перекрытия трубопроводов большого сечения, например для каналов вентиляции в локализующих системах, он обладает рядом недостатков:
1. Относительно малый путь торможения запорного органа при его быстром перемещении из исходного в конечное положение. Это в свою очередь приводит к огромному усилию торможения запорного органа, воздействующему на корпус пироклапана, что сильно осложняет неподвижное закрепление клапана на месте применения.

Например, при диаметре запорного органа ~300 мм и такой же длине масса запорного органа из стали будет равна m≈165 кг. Сталь выбрана из условия, что материал запорного органа должен быть тверже латуни. Длина запорного органа должна быть примерно равной или больше диаметра из условия исключения перекоса запорного органа в седле. Путь торможения запорного органа в этом случае может составлять L≈0,01. ..0,03 м. Скорость его для оценок возьмем V≈50 м/с, а диаграмму усилия торможения будем приближенно считать линейной. Тогда максимальное усилие торможения F легко вычислить по формуле

При таком усилии торможения, воздействующего на корпус клапана, невозможно обеспечить его неподвижность во время срабатывания.

2. Необходима высокая точность выполнения размеров седла и запорного органа для обеспечения равномерности обжатия внутренней оболочки седла клапана.

Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи расширения области применения отсечных клапанов с пироприводом в сторону больших диаметров проходных сечений.

Достигаемый технический результат заключается в снижении усилия торможения запорного органа, снижении требований к соосности седла и запорного органа и устранении реакций усилий разгона и торможения запорного органа на месте закрепления клапана.

Для этого в известном отсечном клапане, содержащем корпус с впускным и выпускным отверстиями, седло, выполненное с возможностью пластической деформации, запорный орган и пиропривод, запорный орган выполнен в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер, а седло в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника, при этом толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа соотношением
0,04<δ/R<0,1,
где δ- толщина стенки втулки,
R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.

Это позволяет обеспечить при срабатывании клапана внедрение запорного органа во втулку и застревание его в ней.

В клапан может быть дополнительно введен второй клапан, содержащий запорный орган и седло, выполненные единообразно с деталями первого клапана, имеющий с ним общие корпус и общую камеру сгорания пиропривода, установленный соосно с первым клапаном. При этом камера сгорания размещена между запорными органами, имеющими возможность движения в противоположные стороны.

Для облегчения запорного органа плунжер может быть полым, а сферический наконечник в виде шарового сегмента.

Введенные изменения позволяют решить поставленную задачу следующим образом.

Седло, выполненное в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа, позволяет увеличить путь торможения запорного органа и получить необходимую степень герметичности перекрытия трубопровода. Длина и толщина стенки втулки выбираются из условия обеспечения необходимых длины пути и усилия торможения запорного органа и отсутствия потери устойчивости втулки. Герметичность перекрытия клапана обеспечивается плотным обжатием сферического наконечника запорного органа упруго или пластически расширенной втулкой.

Авторами экспериментально получено оптимальное соотношение толщины стенки втулки к радиусу сферического наконечника запорного органа, изготовленных из стали 20. Оно составляет
0,04<δ/R<0,1,
где δ- толщина стенки втулки,
R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.

Выполнение указанного соотношения позволяет получить достаточно низкое значение усилия торможения при отсутствии потери устойчивости втулки. При этом усилие торможения F запорного органа может быть оценено по полученной авторами полуэмпирической зависимости

где R и δ- указаны выше,
σ_т - предел текучести материала втулки,
Δr - разность радиусов сферы и внутренней поверхности втулки,
k - коэффициент трения между втулкой и сферой,
К_эф - эмпирический коэффициент, зависящий от материалов втулки и сферы, а также от скорости окружной деформации втулки в процессе торможения. Для втулки из стали 20 и сферы из твердой стали, например стали 30 ХГСА, скорости окружной деформации до 170 с^-1, k=0,25 и Δr/R=0,02...0,04 К_эф≈2,4.

Так как поверхность запорного органа, контактирующая с седлом, выполнена сферической, а седло в виде цилиндрической втулки, то при изготовлении таких седла и запорного органа не требуется высокой соосности седла и запорного органа из-за самоустановки сферы во втулке, что упрощает технологию изготовления.

Применение в качестве седла клапана пластически расширяемой вытянутой втулки позволяет многократно увеличить путь торможения запорного органа и улучшить зависимость усилия торможения от пути торможения, сделав усилие торможения приблизительно постоянным. Это снижает максимальное значение усилия торможения в десятки раз.

Например, для R=0,15 м, δ =0,01 м, σ_т =240 МПа, Δr/R=0,03 и k=0,25 усилие торможения по формуле (2) будет равно 0,495•10⁶ Н.

При разгоне и торможении массивного запорного органа возникают большие осевые усилия разгона и торможения, достигающие для клапана с проходным диаметром ~300 мм десятков тонн. Это делает очень сложной задачу неподвижного закрепления клапана на месте применения. Благодаря объединению двух клапанов в единый корпус и полной симметрии, осевые усилия при разгоне и торможении запорных органов полностью замыкаются внутри корпуса, что устраняет реакции этих усилий на местах крепления и значительно упрощает конструкцию крепления сдвоенного клапана.

Конструкция заявляемого одиночного клапана приведена на фиг.1, а сдвоенного - на фиг.2 в исходном (открытом) положении. Клапан содержит корпус 1 с входным и выходным патрубками для подстыковки трубопроводов. Внутри корпуса соосно ему располагается рабочий цилиндр 2, сообщающийся с камерой сгорания 3, в которой располагается заряд пиросостава 4. В рабочем цилиндре установлен запорный орган 5, выполненный в виде плунжера со сферическим наконечником. На торце корпуса 1 соосно ему установлено седло 6 в виде тонкостенной втулки. При срабатывании клапана от системы задействования инициируется пиросостав 4 в камере 3. Под действием продуктов сгорания пиросостава запорный орган 5 выталкивается из рабочего цилиндра 2 в направлении седла 6. При достижении запорным органом 5 седла 6 происходит перекрытие канала. При дальнейшем движении запорного органа происходит внедрение сферического наконечника во втулку на определенную глубину, его торможение и герметизация места перекрытия за счет упругой или пластической деформации седла. Большие остаточные окружные напряжения в стенке седла обеспечивают надежное удержание запорного органа и герметичность места контакта после останова запорного органа.

Был изготовлен опытный образец клапана в сдвоенном варианте с проходным диаметром 250 мм, с полым плунжером, имеющим сферический наконечник в виде шарового сегмента, который при испытаниях подтвердил заявляемый технический результат. Время перекрытия клапана составило 0,005 с, а путь торможения 140 мм.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для использования в системах автоматической аварийной отсечки каналов вентиляции промышленных помещений, через которые возможен выход в окружающую среду вредных продуктов взрывной аварии, в технологических установках и локализующих системах химической и атомной промышленности. Отсечной клапан содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями. В корпусе размещены седло, запорный орган и пиропривод. Седло выполнено с возможностью пластической деформации. Запорный орган - в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер. Сферический наконечник контактирует с седлом. Седло выполнено в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа. Толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа определенным соотношением: отношение толщины стенки к радиусу запорного органа больше 0,04, но меньше 0,1. Изобретение направлено на расширение области применения отсечных клапанов с пироприводом в сторону больших диаметров проходных сечений, снижение усилия торможения запорного органа и снижение требований к соосности седла и запорного органа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Отсечной клапан, содержащий корпус с впускным и выпускным отверстиями, в котором размещено седло, выполненное с возможностью пластической деформации, запорный орган и пиропривод, отличающийся тем, что запорный орган выполнен в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер, контактирующим с седлом, а седло - в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа, при этом толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа соотношением

0,04<δ/R<0,1,

где δ - толщина стенки втулки, R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.