ПРОТОЧНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2004 года по МПК F16K3/24 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к клапанам, в том числе с электромагнитными приводами, и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды.

Известен клапан (см. RU 2163318 С1, кл. F 16 К 1/12, 20.02.2001), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде диска.

Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу при отпирании и запирании больших усилий, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент. Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и/или больших подачах, так как сила, действующая на клапан под действием давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально давлению и площади запорного элемента.

Известен клапан (см. RU 2159857 С2, кл. F 01 L 7/04, 27.11.2000) золотникового типа, содержащий цилиндрический запорный элемент, перекрывающий выходные отверстия. В указанной конструкции клапана не требуется приложение значительных механических усилий при отпирании и запирании клапана.

Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения полной герметичности клапана в закрытом положении, кроме того, герметичность клапана значительно снижается при уменьшении качества обработки сопрягающихся элементов клапана.

Известен клапан (см. SU 93019 А, кл. F 16 К 41/04, 07.12.1961), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, запорный элемент, соединенный с приводом, и уплотнительные узлы, при этом в корпусе установлен жестко связанный с седлом цилиндрический вкладыш с перепускным отверстием, а запорный элемент выполнен в виде полой втулки, установленной с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль внешней поверхности цилиндрического вкладыша.

Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу значительной силы при отпирании и запирании клапана, так как силы, приложенные к запорному элементу, сформированные давлением рабочей среды в известной конструкции, не уравновешены. Указанное обстоятельство может также приводить к тому, что в системах, в которых используется известный клапан, могут возникать автоколебания при работе в режиме малых расходов. Такие автоколебания, проявляющиеся в виде "стука" или "гудения" клапана, приводят к возникновению в системе гидравлических ударов и в ряде случаев способны привести к разрушению системы.

Наиболее близким к заявленному является клапан (пат РФ № 2200265, кл. F 16 К 3/24 от 03.2003).

Известный клапан позволяет снизить усилия, необходимые для перемещения запорного элемента, с одновременным повышением устойчивости работы, так как в гидравлической системе, в которой установлен клапан, отсутствуют условия для возникновения автоколебаний при отпирании и запирании клапана. В клапане совмещаются преимущества тарельчатого и золотникового клапанов, то есть обеспечивается повышенная герметичность клапана в закрытом положении одновременно с ликвидацией сил, действующих на привод запорного элемента в результате влияния давления рабочей среды. Кроме того, клапан не требует повышенной точности обработки деталей для обеспечения его нормальной работы в связи с наличием в нем уплотнительных элементов, а также в связи с тем, что герметичность клапана в закрытом положении обеспечивается за счет приработки седла клапана и нижней кромки запорного элемента.

Недостатком известного клапана является то, что в процессе эксплуатации трубопровода возникает необходимость очистки его внутренних стенок от отложений, однако конструкция известного клапана исключает возможность проведения этой операции. Кроме того, при протекании рабочей среды в клапане известной конструкции формируются турбулентные потоки, что приводит к ускорению отложения твердого осадка на элементах клапана, повышенным гидравлическим нагрузкам и истиранию клапана и стенок трубопровода механическими частицами, находящимися в потоке во взвешенном состоянии, т.е. гидроабразивному износу.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в сохранении преимущества известного клапана и устранении перечисленных выше недостатков.

Технический результат достигается за счет того, что клапан проточной трубы содержит герметичный корпус с герметично прикрепленными к нему входным и выходным патрубками, запорный элемент, выполненный в виде втулки с широкой и узкой концевыми частями, вкладыш, первый торец которого выполнен глухим, а со стороны второго торца к вкладышу жестко прикреплено жестко прикрепленное к корпусу седло, со стороны глухого торца на вкладыше выполнено уплотнение, охватываемое поверхностью широкой части втулки, узкая часть втулки охватывается вторым уплотнением, выполненным между ней и корпусом, причем вкладыш и запорный элемент расположены под острым углом к оси симметрии, общей для отверстий входного и выходного патрубков, вкладыш выполнен со сквозным отверстием, входная кромка которого расположена на боковой поверхности вкладыша, а выходная на поверхности второго торца вкладыша, причем продольная ось симметрии отверстия совпадает с продольными осями симметрии отверстий патрубков, профиль отверстия, выполненного во вкладыше, по крайней мере, приближенно совпадает с профилями отверстий патрубков, запорный элемент соединен с приводом, площадь участка плоскости поперечного сечения запорного элемента, ограниченного внутренней кромкой поверхности широкой части запорного элемента, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения, ограниченного внешней кромкой поверхности узкой части запорного элемента, узкая и широкая части запорного элемента выполнены с постоянным поперечным сечением и жестко соединены друг с другом, седло выполнено взаимно соответствующим расположенной в торце широкой части запорного элемента контактной части запорного элемента, выполненной с обеспечением возможности герметичного контакта с поверхностью седла, при этом запорный элемент выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении. При этом продольные силы, создаваемые давлением рабочей среды, например жидкости или газа, уравновешиваются практически полностью, что обеспечивает при сохранении герметичности устройства практически полное снижение усилий, необходимых для перемещения запорного элемента при любом давлении рабочей среды.

Привод клапана выполняется преимущественно электромагнитным.

Угол наклона корпуса клапана к осям симметрии отверстий патрубков может составлять 30-60°.

Для снижения динамических нагрузок на запирающую часть клапана и обеспечения более плавного его закрытия между внешней поверхностью широкой части втулки и внутренней поверхностью корпуса сформирован канал для перетока рабочей среды между корпусом и втулкой. Канал может быть выполнен методом расточки корпуса или запорного элемента или образован кольцевыми ребрами жесткости, расположенными на внешней поверхности широкой части втулки. Также канал может быть сформирован путем обеспечения зазора между поверхностями широкой части втулки и корпуса. В частном случае, канал для перетока рабочей среды может быть выполнен в виде спирали.

Контактная часть запорного элемента может быть расположена на плоскости, расположенной под острым углом к оси запорного элемента, при этом широкая часть запорного элемента может иметь вид усеченного косого цилиндра. Широкая часть запорного элемента при этом может быть выполнена цилиндрической, причем для уменьшения хода запорного элемента при работе клапана запорный элемент может быть выполнен с обеспечением возможности поворота последнего на 180° вокруг оси запорного элемента при продольном перемещении запорного элемента между крайними положениями.

Седло клапана может иметь форму эллипса, а торец широкой части запорного элемента, контактирующий с седлом, может быть выполнен в виде усеченного обратного конуса.

На фиг.1 представлен вид в разрезе клапана с широкой частью запорного элемента, выполненной в виде правильного цилиндра;

на фиг.2 - вид в разрезе клапана с широкой частью запорного элемента, выполненной в виде усеченного косого цилиндра.

Клапан содержит корпус 1 с выполненными в нем входным 2 и выходным 3 патрубками. Запорный элемент клапана выполнен преимущественно в виде полой втулки 4, состоящей из узкой части 5, жестко соединенной с широкой частью 6. Для нормальной работы клапана площадь поперечного сечения широкой части втулки, ограниченная внутренней кромкой, должна быть приближенно равна площади поперечного сечения узкой части втулки, ограниченной наружной кромкой поверхности втулки, узкая часть 5 расположена в охватывающем уплотнительном узле 7, а внутри широкой части 6 расположен охватываемый уплотнительный узел 8. Часть 5 втулки выполнена соединенной с приводом 9, обеспечивающим возможность перемещения запорного элемента.

Привод 9 может быть выполнен, например, в виде винта, наружная резьба которого соответствует внутренней резьбе, нарезанной на внутренней поверхности втулки 4, при этом винт приводится во вращение маховиком 10, а втулка фиксируется от вращения с помощью известных средств, например с помощью прикрепленного к втулке штифта, перемещающегося в пазу закрепленной на корпусе гайки (на чертежах не показано). Возможно также выполнение клапана с электромагнитным или пневматическим приводом (на черт. не показано).

Внешняя поверхность вкладыша 11 является направляющей части 6 втулки 4. Седло 12 клапана выполнено обеспечивающим контакт нижней торцевой поверхности запорного элемента с рабочей средой со стороны входного отверстия в закрытом положении клапана. Седло клапана выполнено таким образом, что не пересекает границы отверстия, выполненного во вкладыше, и не создает в проточном трубопроводе турбулентных потоков. В закрытом положении клапана с рабочей средой контактирует практически вся нижняя торцевая поверхность части 6 запорного элемента. При этом нижний торец запорного элемента, контактирующий с седлом, выполнен в виде усеченного обратного конуса. Эксперименты показали, что клапан сохраняет работоспособность в том случае, если площадь поперечного сечения внутреннего пространства широкой части втулки, без учета толщины ее стенок, приближенно равна общей площади (т.е. площади с учетом толщины стенок и внутреннего пространства) поперечного сечения узкой части втулки.

На седле клапана может быть расположен выступ 13, указанный выступ обеспечивает дополнительное повышение устойчивости работы и снижение продольных нагрузок на запорный элемент при работе клапана в режиме малых подач рабочей среды через перепускное отверстие 14. Наклон запорного элемента обеспечивает возможность полного удаления запорного элемента из проточной части клапана, за счет чего появляется возможность проведения работ по очистке проточного трубопровода с помощью протягиваемого через трубопровод чистящего инструмента (“ерша”). При этом увеличивается допустимая скорость движения по трубопроводу рабочей среды, при которой поток рабочей среды имеет ламинарный характер, так как в предложенном клапане, при его полном открытии, отсутствую элементы, выступающие из проточной части клапана. Для снижения динамических нагрузок на запирающую часть клапана и более плавного его закрытия на внешней поверхности широкой части втулки выполнен канал 15 для перетока рабочей среды между корпусом и втулкой Канал может быть образован ребрами жесткости 16.

Для обеспечения компактности конструкции клапана он имеет соединенный с приводом механизм 17, который помогает передвигать и одновременно вращает на 180° запорный орган 4, уменьшая рабочий ход запорного элемента.

Клапан работает следующим образом.

В открытом положении клапана запорный элемент 4 поднят вверх. При этом продольные силы, создаваемые давлением рабочей среды, например жидкости или газа, на верхнюю часть внешней поверхности широкой части 6 и ее нижнюю торцевую часть уравновешивают друг друга, в связи с чем для фиксации втулки 4 в указанном положении не требуется приложение силы со стороны привода. Кроме того, в указанном положении должно обеспечиваться свободное протекание рабочей среды между входным и выходным отверстиями. При запирании клапана привод обеспечивает перемещение втулки 4 вниз. При этом, как было показано выше, давление рабочей среды не создает радиальной силы, в связи с чем мощность, развиваемая приводом, тратится только на преодоление сил трения между втулкой 4 и уплотнительными элементами. При перемещении втулки 4 вниз обеспечивается постепенное перекрытие перепускного отверстия 14 нижней частью 6 втулки и уменьшение проходного сечения клапана. В дальнейшем при прохождении нижней кромки нижней части 6 верхней границы цилиндрического выступа 13 седла клапана происходит практически полное перекрытие потока рабочей среды. При выполнении клапана без выступа на седле клапана, а также для повышения герметичности клапана, выполненного с указанным выступом, втулка 4 перемещается вниз до соприкосновения нижней кромки втулки с седлом клапана, в результате чего происходит полное перекрытие потока рабочей среды. В связи с тем что нижняя торцевая часть нижней цилиндрической части 6 контактирует с седлом клапана по поверхности, имеющей относительно малую площадь, в закрытом положении клапана на втулку 4 практически не действует продольная сила, вызванная давлением рабочей среды. Работа, совершаемая при открывании клапана, расходуется только на преодоление сил трения.

При выполнении широкой части запорного элемента в виде косого цилиндра (фиг.2) запорный элемент в своем поступательном движении поворачивается на пол-оборота вокруг продольной оси, за счет чего обеспечивается возможность полного открытия клапана при меньшем продольном ходе запорного элемента. Поворот запорного элемента в процессе поступательного движения может быть обеспечен путем выполнения на корпусе (или запорном элементе) выступа, взаимодействующего в процессе перемещения запорного элемента со стенками винтовой канавки, выполненной на запорном элементе (или соответственно корпусе).

Важной особенностью клапана, конструкция которого позволяет уравновесить запорный элемент, является независимость мощности, необходимой для закрытия клапана с заданной скоростью, от давления рабочей среды. В связи с этим клапан обеспечивает стабильность рабочих характеристик при любом давлении среды. Конструкция предложенного клапана создает возможность очистки стенок проточного трубопровода от отложений, поскольку очистные элементы беспрепятственно перемещаются по внутренней поверхности трубопровода. Предотвращается взмучивание потока и, как следствие, уменьшается истирание клапана и стенок трубопровода взвешенными частицами.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно при больших давлениях рабочей среды. Проточный клапан содержит герметичный корпус с герметично соединенными с ним входным и выходным патрубками. Запорный элемент выполнен в виде втулки с широкой и узкой концевыми частями. Имеется вкладыш. Один торец вкладыша выполнен глухим. Со стороны второго торца к вкладышу жестко прикреплено жестко прикрепленное к корпусу седло. Со стороны глухого торца на вкладыше выполнено уплотнение. Уплотнение охватывает поверхность широкой части втулки. Узкая часть втулки охватывается вторым уплотнением. Оно расположено между ней и корпусом. Вкладыш и запорный элемент расположены под острым углом к оси симметрии, общей для отверстий входного и выходного патрубков. Вкладыш выполнен со сквозным отверстием. Входная кромка этого отверстия расположена на боковой поверхности вкладыша. Выходная кромка расположена на втором торце вкладыша. Второй патрубок герметично соединен со вторым торцом вкладыша. Продольная ось симметрии отверстия, выполненного во вкладыше, совпадает с продольными осями симметрии отверстий патрубков. Профиль отверстия, выполненного во вкладыше, по крайней мере, приближенно совпадает с профилями отверстий патрубков. Запорный элемент соединен с приводом. Площадь участка плоскости поперечного сечения запорного элемента, ограниченного внутренней кромкой поверхности широкой части запорного элемента, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения запорного элемента, ограниченного внешней кромкой поверхности узкой части запорного элемента. Узкая и широкая части запорного элемента выполнены с постоянным поперечным сечением. Седло выполнено взаимно соответствующим расположенной на торце широкой части запорного элемента контактной части запорного элемента, выполненной с обеспечением возможности герметичного контакта с поверхностью седла. Запорный элемент выполнен с возможностью перемещения в направлении его продольной оси. Изобретение направлено на повышение герметичности клапана и на снижение усилия привода для перемещения запорного элемента с одновременным повышением устойчивости работы клапана, так как в гидравлической системе, в которой установлен клапан, отсутствуют условия для возникновения автоколебаний при отпирании и запирании клапана. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Проточный клапан, содержащий герметичный корпус с герметично соединенными с ним входным и выходным патрубками, запорный элемент, выполненный в виде втулки с широкой и узкой концевыми частями, вкладыш, один торец которого выполнен глухим, а со стороны второго торца к вкладышу жестко прикреплено жестко прикрепленное к корпусу седло, со стороны глухого торца на вкладыше выполнено уплотнение, охватываемое поверхностью широкой части втулки, узкая часть втулки охватывается вторым уплотнением, выполненным между ней и корпусом, отличающийся тем, что вкладыш и запорный элемент расположены под острым углом к оси симметрии, общей для отверстий входного и выходного патрубков, вкладыш выполнен со сквозным отверстием, входная кромка которого расположена на боковой поверхности вкладыша, а выходная - на втором торце вкладыша, причем второй патрубок герметично соединен со вторым торцом вкладыша, продольная ось симметрии отверстия, выполненного во вкладыше, совпадает с продольными осями симметрии отверстий патрубков, профиль отверстия, выполненного во вкладыше, по крайней мере, приближенно совпадает с профилями отверстий патрубков, запорный элемент соединен с приводом, площадь участка плоскости поперечного сечения запорного элемента, ограниченного внутренней кромкой поверхности широкой части запорного элемента, равна 0,9-1,1 площади участка плоскости поперечного сечения запорного элемента, ограниченного внешней кромкой поверхности узкой части запорного элемента, узкая и широкая части запорного элемента выполнены с постоянным поперечным сечением, седло выполнено взаимно соответствующим расположенной на торце широкой части запорного элемента контактной части запорного элемента, выполненной с обеспечением возможности герметичного контакта с поверхностью седла, при этом запорный элемент выполнен с возможностью перемещения в направлении его продольной оси.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что привод выполнен электромагнитным.3. Клапан по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что угол наклона запорного элемента к оси симметрии отверстий патрубков составляет 30-60°.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что между внешней поверхностью широкой части втулки и внутренней поверхностью корпуса сформирован, по крайней мере, один канал для перетока рабочей среды.5. Клапан по п.4, отличающийся тем, что внешняя поверхность широкой части втулки выполнена с ребрами жесткости, расположенными с образованием канала между внешней поверхностью широкой части втулки и внутренней поверхностью корпуса.6. Клапан по п.5, отличающийся тем, что ребра жесткости расположены в виде спирали.7. Клапан по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что контактная часть запорного элемента выполнена в виде усеченного обратного конуса.8. Клапан по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что контактная часть запорного элемента выполнена размещенной на плоскости, расположенной под острым углом к оси запорного элемента.9. Клапан по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что широкая часть запорного элемента выполнена цилиндрической, а запорный элемент выполнен с обеспечением его поворота на 180° вокруг оси цилиндра широкой части при продольном перемещении запорного элемента между крайними положениями.10. Клапан по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что седло клапана выполнено эллиптическим.