УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2004 года по МПК G05D7/00 

Изобретение относится к регулирующей арматуре трубопроводов большого диаметра (Ду свыше 400 мм) в виде дроссельно-регулирующих устройств, применяемых на атомных и тепловых электростанциях для регулирования расхода теплоносителя в зависимости от режима работы активной зоны атомного реактора или котла тепловой электростанции.

Известные устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводах работают на принципе дросселирования потока путем изменения площади проходного сечения, например, с помощью регулирующих клапанов.

Регулирующие клапаны в энергетических трубопроводах применяются в сочетании с задвижками, т.к. регулирующие клапаны в качестве запорной арматуры не используются.

Известны регулирующие клапаны в основном двух типов: поворотные заслонки в виде диска и золотниковые конструкции, когда поток в корпусе клапана перекрыт неподвижной гильзой с окнами, в которую вставлена поворотная золотниковая втулка с такими же окнами. Когда окна совпадают, то поток через них проходит максимальный, а когда золотниковая втулка поворачивается на заданный угол, то окна на неподвижной втулке частично перекрываются, происходит дросселирование потока и изменение его расхода.

Известен клапан регулирующего типа поворотной заслонки в виде диска Ду 400 (см. отраслевой каталог "Арматура энергетическая для ТЭС и АЭС", Москва, 1986 г. , стр. 190, рис. 194). Клапаны этого типа бывают весьма больших проходных отверстий, например клапан дроссельный Ду 800 ПТ 96510-800. Основным недостатком этого типа клапанов является большая несимметричность потоков, которые обтекают приоткрытую заслонку с двух сторон. Такая асимметричность потока приводит к вибрации диска заслонки и пульсации потока на выходе.

Наиболее интенсивно это проявляется при малых углах открытия заслонки, что бывает необходимо, чтобы защитить насосный агрегат от кавитационных процессов, которые возникают на определенных режимах теплового агрегата, требующих малого расхода теплоносителя, например, для активной зоны ядерного реактора.

При любых углах открытия диска заслонки и соответственно больших величинах перепада давления возникают кавитационные явления, которые приводят к эрозионному разрушению поворотной заслонки, корпуса клапана и расположенного за клапаном оборудования, включая стенки трубы.

Для продления ресурса работы оборудования на практике применяют противоэрозионные наплавки на диск заслонки, корпус и прилегающие к клапану поверхности трубы и оборудования.

Кроме этого, у клапанов с поворотной заслонкой возникает вибрация, от которой быстро выходят из строя подшипники, на которых поворачивается заслонка.

Все это вместе повышает стоимость эксплуатации этих типов дроссельных устройств, особенно на трубопроводах с проходным сечением (Ду) свыше 500 мм.

Также известны дроссельные устройства золотникового типа, в которых поворотная золотниковая втулка с окнами, помещенная в неподвижную гильзу с такими же окнами, регулирует поток в трубопроводе (см. отраслевой каталог "Арматура энергетическая для ТЭС и АЭС", Москва, 1986 г., стр. 69-70, рис. 61).

Регулирование потока в этой конструкции клапана производится за счет дросселирования потока через окна неподвижной гильзы и через окна поворачиваемой золотниковой втулки. При совпадении окон расход максимальный, а при повороте золотника в сторону положения, когда окна неподвижной гильзы начинают перекрываться, расход уменьшается.

В тех случаях, когда по условиям эксплуатации активной зоны реактора требуются малые расходы теплоносителя, окна в неподвижной гильзе открываются на небольшой угол. При малых открытиях окон в неподвижной гильзе с золотниковой втулкой и соответственно больших величинах перепада давления возникают кавитационные процессы как в самом дросселе, так и вокруг него, что в итоге приводит к различным эрозионным разрушениям внутренних поверхностей корпуса и золотниковой системы.

Кавитация поверхностей вызывается не только малым открытием, но и тем, что ось неподвижной гильзы и золотниковой втулки расположены перпендикулярно продольной оси корпуса клапана и трубопровода.

Из-за этого, высокоскоростной поток теплоносителя, входя в корпус клапана, ударяется в стенку неподвижной гильзы, проходит через ее окна, дважды меняя свое направление на 90^o, что также приводит к условиям для образования кавитационных процессов и вибрации.

Другим недостатком дросселей золотникового типа, у которых ось неподвижной гильзы с золотниковой втулкой перпендикулярна оси корпуса и трубопровода, является большое гидравлическое сопротивление, которое должен преодолевать ГЦН (главный центробежный насос). Например, в случае режима кипения в активной зоне реактора возрастает гидравлическое сопротивление, поэтому приходится максимально снижать гидравлическое сопротивление дросселя. Это удается только за счет увеличения габаритов неподвижной гильзы и золотниковой втулки и их окон, а следовательно, и корпуса, что увеличивает вес и стоимость клапана.

Наиболее близким по количеству существенных признаков, совпадающих с заявленной конструкцией, является дроссельно-регулирующий клапан по свидетельству на полезную модель 19605 "Клапан дроссельно-регулирующий для труб большого диаметра".

В корпусе дроссельно-регулирующего клапана так же, как и в заявленной конструкции, выполнены устройства, обеспечивающие образование двух независимых потоков транспортируемой по трубопроводу жидкости: один - нерегулируемый, проходящий через дроссель, расположенный по оси корпуса и выполненный в виде втулки с постоянным коэффициентом гидравлического сопротивления, а другой - в виде кольцевого потока, соосного с первым, который регулируется золотниковым устройством, установленным соосно с корпусом и трубопроводом. Регулировка кольцевого потока осуществляется за счет поворота золотниковой втулки с продольными окнами относительно продольных окон неподвижной золотниковой втулки.

Недостатком этой конструкции дроссельного клапана является то, что его конструкция выполнена так, что регулируемая часть потока, подвергаемая дросселированию, сначала за счет конфузора собирается ближе к центру корпуса клапана, чтобы попасть на вход потока в золотниковое устройство, а потом через окна подвижной части золотникового устройства уходит на периферию корпуса клапана в виде кольцевого потока. Расположение выходного кольцевого потока вдоль стенки корпуса клапана отрицательно сказывается на элементах трубопровода, находящихся за дроссельно-регулирующим клапаном, например на запорном устройстве, которое, как правило, устанавливается на небольшом расстоянии за дроссельным устройством. Из-за такого распределения потоков при больших расходах и длительной эксплуатации может произойти динамическое разрушение деталей, лежащих на пути этого потока.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра (Dy свыше 400 мм), который бы пропускал через себя регулируемую часть потока не к периферии корпуса устройства, а к его центру, непосредственно охватывая поток, выходящий из нерегулируемого дросселя, расположенного по оси устройства в виде втулки с постоянным гидравлическим сопротивлением.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в сокращении пути потока, проходящего через регулирующий дроссель, и уменьшении при этом степени его сжатия, что снизило энергетические затраты на прокачку потока через дроссельно-регулирующий клапан. При этом уменьшилось динамическое воздействие потока на детали устройства и на детали, находящейся за ним запорной арматуры, т.к. поток теперь выходит из корпуса по его центру.

Другим техническим результатом является значительное (свыше 30%) снижение веса устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе как за счет уменьшения диаметра регулирующего дросселя, так и за счет конструктивной схемы устройства, в котором отсутствует конфузор.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для регулирования расхода жидкости в трубопроводе, содержащем корпус и установленные в нем два дроссельных устройства: по оси корпуса
- нерегулируемый дроссель в виде втулки с постоянным коэффициентом гидравлического сопротивления и дроссель, регулирующий расход потока, состоящий из неподвижной втулки с окнами, расположенной концентрично втулке нерегулируемого дросселя, и одетой на нее подвижной золотниковой втулки с окнами, а также два кольцевых канала, предназначенных для входа потока в регулирующий дроссель и выхода из него;
- кольцевой канал для входа регулируемого потока в регулирующий дроссель расположен снаружи подвижной золотниковой втулки с окнами, а канал для выхода потока расположен внутри неподвижной золотниковой втулки регулирующего дросселя;
- кроме того, одна из стенок канала для выхода потока из регулирующего дросселя образована наружной стенкой нерегулируемого дросселя;
- кроме того, подвижная золотниковая втулка снабжена приводным валом, установленным по касательной к золотниковой втулке, с возможностью осевого перемещения, при этом рабочий конец вала соединен с золотниковой втулкой с помощью кулисного механизма;
- кроме того, на внешней поверхности золотниковой втулки выполнена вилка, в которой с обеспечением перемещения установлен "камень" кулисного механизма, в котором с возможностью качения закреплен рабочий конец приводного вала;
- кроме того, на входе неподвижной золотниковой втулки установлен обтекатель конусного профиля, наружный диаметр которого совпадает с наружным диаметром подвижной золотниковой втулки регулирующего дросселя, а внутренний диаметр обтекателя совпадает с наружным диаметром втулки нерегулируемого дросселя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез устройства для регулирования расхода жидкости в трубопроводе; на фиг.2 - вид по стрелке А; на фиг.3 - увеличенный в масштабе фрагмент разреза по Б-Б в случае, когда окна неподвижной золотниковой втулки перекрыты подвижной золотниковой втулкой; на фиг.4 - увеличенный в масштабе фрагмент разреза по Б-Б в случае, когда окна неподвижной золотниковой втулки открыты подвижной золотниковой втулкой.

Устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводе выполнено в виде: корпуса 1, нерегулируемого дросселя в виде втулки 2 с постоянным коэффициентом гидравлического сопротивления, регулирующего дросселя 3, состоящего из неподвижной золотниковой втулки 4 с окнами 5 и одетой на нее подвижной золотниковой втулки 6 с окнами 7; кольцевого канала 8, предназначенного для входа потока в регулирующий дроссель 3, образованного внутренней стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью подвижной золотниковой втулки 6; кольцевого канала 9, предназначенного для выхода потока из регулирующего дросселя 3, образованного внутренней стенкой неподвижной золотниковой втулки 4 и наружной стенкой втулки 2 нерегулируемого дросселя; приводного вала 10 и вилки 11, выполненной на внешней поверхности подвижной золотниковой втулки 6; "камня" 12 кулисного механизма; приводной гайки 13 с участком резьбы 14 на приводном валу 10 и шлицевым участком 15 и обтекателя 16, направляющего потока кольцевой канал 8.

Конструкция заявляемого устройства обеспечивает разделение единого потока, идущего по трубопроводу от ГЦН, на два параллельных потока, сходящихся на выходе из корпуса. Поток с постоянным расходом (при закрытых окнах регулирующего дросселя) обеспечивается дросселем в виде втулки с поперечными ребрами, установленной по оси корпуса устройства, при этом размер втулки и расход через нее выбран таким образом и с таким гидравлическим сопротивлением, что этот дроссель обеспечивает самый нижний уровень расхода теплоносителя, необходимый по регламенту, например, при выводе реактора из эксплуатации. Этот режим с малым расходом в известных конструкциях дросселей вызывает интенсивную вибрацию потока и кавитационные процессы как внутри корпуса, так и на выходе из него.

Прямоточный нерегулируемый дроссель в виде втулки 2, установленный по оси корпуса, не создает условий для образования кавитационных процессов внутри корпуса и на выходе из него. Этому способствует также и то, что дроссель в виде втулки 2 установлен по оси потока, где скорость потока наибольшая, и в своем движении поток не встречает никаких препятствий, кроме пристеночного торможения из-за поперечных ребер, установленных на внутренней стенке втулки 2.

Второй поток формируется регулирующим дросселем 3, состоящим из неподвижной золотниковой втулки 4 с окнами 5 и подвижной золотниковой втулки 6 с окнами 7, который выходит из кольцевого канала 9 в виде кольцевого потока, охватывающего поток, выходящий из нерегулируемого дросселя 2.

Когда по условиям эксплуатация теплового агрегата необходимо увеличить расход, то с помощью приводной гайки 13 и приводного вала 10 поворачивают золотниковую втулку 6. Что приводит к частичному совпадению окон 7 на подвижной втулке 6 с окнами 5 на неподвижной втулке 4.

На фиг.3 и 4 показаны два крайних положения окон: на фиг.3 показано перекрытие потока через регулируемый дроссель, а на фиг.4 - полное открытие окон, обеспечивающих в сочетании с нерегулируемым дросселем 2 максимальный расход жидкости, проходящей через устройство.

Промежуточные положения окон подвижной и неподвижной золотниковых втулок обеспечивают любой требуемый расход жидкости через заявляемое устройство.

Форма окон 5 и 7 в виде продольных щелей на всю их длину формирует плавное перетекание потока из входного канала 8 в полость выходного канала 9.

Поворот золотниковой втулки на заданную величину открытия окон осуществляется приводным валом 10 через вилку 11, выполненную на внешней поверхности подвижной золотниковой втулки 6, и "камня" 12 кулисного механизма.

Заявляемое устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводах большого диаметра, свыше 400 мм, имеет по сравнению с известными конструкциями того же назначения меньшие габариты, вес и стоимость изготовления, а также меньшие затраты при эксплуатации. При этом наибольшая экономия получается за счет снижения диаметра регулирующего дросселя и отсутствие габаритного конфузора. Так, например, для трубопровода с Ду=800 мм, по свидетельству на полезную модель 19605, вес устройства составляет 343 кг, а по заявленному изобретению - 219 кг.

Изобретение предназначено для регулирования расхода жидкости, преимущественно теплоносителя, в атомных электрических станциях на трубопроводах большого диаметра (свыше 400 мм), подающих теплоноситель в активную зону от главного центробежного насоса. Оно применимо также на тепловых электростанциях в трубопроводах, подающих в котел воду под давлением. Технический результат - меньшие габариты, вес, стоимость устройства и меньшие эксплуатационные расходы из-за практически полного отсутствия в процессе регулирования расхода жидкости кавитационных и эрозионных процессов как в самом корпусе устройства, так и за его пределом. Сущность изобретения состоит в том, что в корпусе устройства формируются два потока, которые дросселируются независимо друг от друга, один - посредством дросселя с постоянным коэффициентом гидравлического сопротивления, выполненным в виде втулки, другой - дросселем с поворотной золотниковой втулкой. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для регулирования расхода жидкости в трубопроводе, содержащее корпус и установленные в нем два дроссельных устройства - по оси корпуса нерегулируемый дроссель в виде втулки с постоянным коэффициентом гидравлического сопротивления и дроссель, регулирующий расход потока, состоящий из неподвижной золотниковой втулки с окнами, расположенной концентрично втулке нерегулируемого дросселя, и надетой на нее подвижной золотниковой втулки с окнами, а также два кольцевых канала, предназначенных для входа потока в регулирующий дроссель и выхода из него, отличающееся тем, что кольцевой канал для входа регулируемого потока в регулирующий дроссель расположен снаружи подвижной золотниковой втулки с окнами, а канал для выхода потока расположен внутри неподвижной золотниковой втулки с окнами регулирующего дросселя.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна из стенок канала для выхода потока из регулирующего дросселя образована наружной стенкой нерегулируемого дросселя.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижная золотниковая втулка снабжена приводным валом, установленным по касательной к золотниковой втулке с возможностью осевого перемещения, при этом рабочий конец вала соединен с золотниковой втулкой с помощью кулисного механизма.4. Устройство по любому из пп.1, 3, отличающееся тем, что на внешней поверхности золотниковой втулки выполнена вилка, в которой с обеспечением перемещения установлен “камень” кулисного механизма, в котором с возможностью качения закреплен рабочий конец приводного вала.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что на входе неподвижной золотниковой втулки установлен обтекатель конусного профиля, наружный диаметр которого совпадает с наружным диаметром подвижной золотниковой втулки регулирующего дросселя, а внутренний диаметр обтекателя совпадает с наружным диаметром втулки нерегулируемого дросселя.