ВЕНТИЛЬ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ Российский патент 2004 года по МПК F16K1/48 

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к запорно-регулирующим устройствам трубопроводов пара, воды, других газов и жидкостей.

Известен вентиль запорно-проходной, содержащий корпус с наплавленным седлом из износостойкого материала и сальниковой камерой, пакет сальниковых колец с шайбой, грундбуксу, нажимную планку, бугель, шпиндель, связанный с рукояткой и со штоком с запорным элементом (см. ТУ 108-984-80).

У известного вентиля невысокая надежность запорного органа, т.к. из-за неточностей изготовления невозможно обеспечить точную соосность запорного элемента и седла, углов конусности их рабочих поверхностей. При высоких температурах и давлениях происходят дополнительные температурные и упругие деформации, что усложняет процесс герметизации запорного органа.

Известно выполнение запорного элемента сферической формы, связанного жестко со штоком (см. патент России №2075676, F 16 K 1/34, опубл. в БИ №8, 1997 г.).

Данное устройство обеспечивает лучшее сопряжение в запорной части за счет выполнения запорного элемента сферической формы, что обеспечивает его лучшую установку по седлу. Однако при работе в условиях высоких температур (до 600°С) и давлений (до 40 МПа) происходят значительные, трудно прогнозируемые температурные и упругие деформации из-за неоднородностей химсостава, структур материалов, их исходного напряженного состояния и др. В этих условиях реальная геометрия сопряжения пары "запорный элемент - седло" может не обеспечивать точного их сопряжения и герметичности соединения. Для устранения протечек необходимо значительно увеличивать усилия прижима к седлу запорного элемента, что приводит уже к пластической деформации контактных поверхностей седла и запорного элемента, созданию высоких контактных давлений, схватыванию материалов, задирам, износу, снижению надежности работы. При работе в условии высоких температур после закрытия вентиля через него не проходит рабочая среда, и его температура опускается, происходят обратные температурные изменения (шток, корпус уменьшаются в размерах), уменьшается усилие прижима запорного элемента к седлу, и герметичность тоже может быть нарушена.

Известен вентиль запорно-регулирующий (ВЗР), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для прохода рабочей среды, седло с уплотняемой поверхностью, сальниковую камеру, пакет сальниковых колец с шайбой, грундбуксу, нажимной элемент, шпиндель, связанный с рукояткой и запорным элементом со сферической уплотняемой поверхностью, причем нижняя часть шпинделя выполнена с концевой частью, которая связана с отверстием запорного элемента, в котором выполнена кольцевая расточка для установки фиксирующего элемента и площадка, расположенная внутри отверстия запорного органа перпендикулярно его оси (см. а.с. СССР 79349 А, МКИ F 16 К 41/04, 28.02.1950), может быть принят за прототип.

Техническим результатом является повышение надежности работы вентиля на высоких параметрах по температуре и давлению за счет компенсации всевозможных погрешностей, возникающих при изготовлении и вследствие температурных и упругих деформационных процессов в деталях в процессе эксплуатации, и обеспечение малых усилий для вращения шпинделя.

Поставленная цель достигается тем, что в вентиле запорно-регулирующем, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями для прохода рабочей среды, седло с уплотняемой поверхностью, сальниковую камеру, пакет сальниковых колец с шайбой, грундбуксу, нажимной элемент, шпиндель, связанный с рукояткой и запорным элементом со сферической уплотняемой поверхностью, причем нижняя часть шпинделя выполнена с концевой частью, которая связана с отверстием запорного элемента, в котором выполнена кольцевая расточка для установки фиксирующего элемента напротив кольцевой проточки на концевой части шпинделя, и площадка, расположенная внутри отверстия запорного элемента перпендикулярно его оси, фиксирующий элемент выполнен в виде группы шариков, установленных в кольцевую канавку запорного элемента, связанных с кольцевым ленточным упругим элементом с осепараллельным и не радиальным разрезом, установленными в кольцевую проточку на концевой части нижней части шпинделя, донная часть торцовой ступенчатой расточки которого выполнена сферической формы, а в большую ступень торцовой расточки установлен упругий кольцевой элемент в виде шайбы, отверстие которой связано с соосно расположенным шариком, расположенным с зазором по отношению к донной части торцовой расточки, при этом отверстие запорного элемента выполнено с фаской для захода шариков, причем ширина кольцевой проточки концевой части шпинделя выполнена большей, чем диаметр шариков фиксирующих элементов.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение фиксирующих элементов в виде шариков значительно снижает коэффициент трения и износ пары "шпиндель - запорный элемент" при высоких нагрузках, необходимых для обеспечения герметичности при высоких давлениях среды в момент закрытия вентиля, а применение шарика, связывающего шпиндель с запорным элементом через упругий элемент, обеспечивает термостабилизацию вентиля в закрытом положении.

На фиг.1 показана конструкция ВЗР, на фиг.2 - фрагмент 1 фиг.1, на фиг.3 - фрагмент 2 фиг.2, на фиг.4 - разрез 3-3 фиг.2.

ВЗР (фиг.1, 2, 3, 4) содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями для прохода рабочей среды, с седлом 4 с уплотняемой поверхностью 5, сальниковую камеру 6 с диаметром, пакет сальниковых колец 7 с шайбой 8, грундбуксу 9 в виде шайбы, нажимной элемент 10 в виде втулки резьбовой, шпиндель 11, связанный с рукояткой 12 и с запорным элементом 13, выполненным со сферической уплотняемой поверхностью 14 и с возможностью установочных перемещений в направлениях, перпендикулярных оси шпинделя 11. Это достигается за счет зазора в соединении "шпиндель 11 - запорный элемент 13" 0,1...0,5 мм. Нижняя часть шпинделя 11 (фиг.2) выполнена ступенчатой с концевой частью 15 меньшего диаметра (Д₁, мм), которая связана с отверстием 16 запорного элемента 13 и имеет кольцевую проточку 17 для установки фиксирующих элементов 18 в виде шариков с диаметром (Д_ш, мм). Торец 19 концевой части 15 шпинделя 11 выполнен со ступенчатой расточкой 20 для установки упругого элемента в виде шайбы 21 с пружинными свойствами, отверстие которого выполнено меньшим и связано с соосно установленным шариком 22. Отверстие 16 запорного элемента 13 выполнено с внутренней кольцевой расточкой 23 для установки фиксирующих элементов - шариков 18. Площадка 24 расположена внутри отверстия 16 запорного элемента 13, расположенного перпендикулярно оси, с которой связан шарик 22. Шарики 18 связаны с кольцевым ленточным упругим элементом 25, который имеет осепараллельный и не радиальный разрез 26 (фиг.4). Отверстие 16 запорного элемента 13 выполнено с фаской 27, имеющей угол наклона к оси в 5...20 град. для обеспечения захода шариков 18 при сборке. Диаметр (Д, мм) проточки 17 концевой части 15 шпинделя 11 определяют из условия:

Д₁ ≤ Д-2Д_ш-3в,

где Д₁ - диаметр концевой части шпинделя, мм,

Д_ш - диаметр фиксирующих элементов 18 (шариков), мм,

в - толщина ленты кольцевого ленточного упругого элемента 25, мм.

Это условие, точно как и выполнение разреза 26 не радиальным, необходимо для того, чтобы при сборке шарики 18 не проваливались в разрез 26. Шарики 18 при проходе по заходной фаске 27 отверстия 16 запорного элемента 13 сжимают кольцевой ленточный упругий элемент 25, за счет скосов разреза 26 один конец заходит за другой элемента 25. Когда же шарики 18 достигнут проточки 23 в отверстии 16 запорного элемента 13, упругий элемент 25 разжимается за счет упругих свойств и устанавливает шарики 18 в кольцевую проточку 23, при этом расстояние между концами разреза 26 должно быть минимальным для исключения провала и заклинивания шариков 18 или вообще не быть, т.е. концы упругого элемента 25 заходят друг за друга (кольцо в виде 1,2...1,5 витка). Донная часть 28 ступенчатой расточки 20 выполнена сферической формы по диаметру, близкому или равному диаметру шарика 22, чтобы исключить пластические деформации донной части 27 при значительных нагрузках.

Ширина (В, мм) канавки 17 выбирается из условия В>Д_ш+а, где а - расстояние от шарика 22 до донной части 28 при условии деформирования упругого элемента 21 при нормальной температуре после сборки в открытом положении вентиля (предварительный натяг от поворота запорного элемента 13 потоком среды), мм.

Работа вентиля запорно-регулирующего (фиг.1, 2, 3, 4).

Рукояткой 12 шпиндель 11 поворачивается против часовой стрелки, выворачивается из втулки резьбовой 10 и тянет за собой запорный элемент 13. Между сферической поверхностью 14 запорного элемента 13 и конической поверхностью 5 седла 4 образуется зазор, рабочая среда поступает от входного отверстия 2 к выходному отверстию 3. Упругий элемент 21 позволяет прижать запорный элемент 13 к шпинделю 11 с определенным усилием, чтобы препятствовать свободному его вращению запорного элемента 13, т.к. для этого необходимо преодолеть усилие трения. При этом отсутствует осевой люфт системы "запорный элемент 13 - шпиндель 11", что позволяет использовать ВЗР в режиме регулирования потока среды. Закрытие вентиля происходит в обратном порядке. Рукояткой 12 шпиндель 11 поворачивается по часовой стрелке, ввертывается во втулку резьбовую 10, толкает запорный элемент 13. В момент касания сферической поверхностью 14 запорного элемента 13 конической поверхности 5 седла 4 происходит, если необходимо, его смещение в плоскости, перпендикулярной оси, для точной установки. Это возможно из-за того, что соединение "запорный элемент 13 - концевая часть 15 шпинделя 11" выполнено с радиальным зазором 0,1...0,5 мм (в зависимости от Д_у и параметров эксплуатации), и наличия площадки 24 изнутри запорного элемента 13, по которой он "плавает" относительно шарика 22. После установки запорного элемента 13 по седлу 4 происходит его прижим с определенным усилием (чем больше давление среды, тем больше усилие прижима), при этом происходит сжатие упругого элемента 21 (тарельчатой пружинной шайбы). При работе в условии высокой температуры (500°С) из-за теплового расширения удлиняются на разные величины шпиндель, корпус и др. детали, а после закрытия вентиля, т.к. поток среды не проходит через него, все детали остывают до температуры 80...100°С и уменьшаются в размерах неодинаково, это может привести к уменьшению усилия прижима запорного элемента 13 к седлу 4 и даже создать зазор для протечки среды. В данном случае этого не происходит, т.к. упругий элемент 21 выполняет функцию термостабилизирующего элемента, и при уменьшении длины шпинделя 11 происходит распрямление и поджим запорного элемента 13 к седлу 4 с усилием, достаточным для обеспечения герметичности ВЗР за счет усилия упругого деформирования упругого элемента 21. Это достигается подбором материала, размеров, упругой характеристики упругого элемента 21. Ширина В кольцевой канавки 17 выполняется обязательно большего размера, чем диаметр Д_ш шариков 18, чтобы обеспечить относительную (относительно концевой части 15) подвижность запорного элемента 13 при прямой и обратной деформации упругого элемента 21. Выполнение фиксирующих элементов 18 в виде шариков значительно снижает силы трения между запорным элементом 13 и шпинделем 11, при этом сила трения в зоне контакта сферической уплотняемой поверхности 14 запорного элемента 13 и уплотняемой поверхности 5 седла 4 значительно больше вышеуказанных сил трения. Запорный элемент 13 не вращается с момента контакта с седлом 4, а шпиндель 11 может еще вращаться, выбирая при этом люфты системы "втулка резьбовая 10 - резьба шпинделя 11", при этом передаются значительные усилия для прижима запорного элемента 13 к седлу 4.

Выполнение фиксирующих элементов 18 в виде шариков позволяет увеличить нагрузку на запорный элемент 13 и использовать данную конструкцию ВЗР в условиях повышенных давлений рабочей среды (30-100 МПа) и температур (до 700°С), при этом обеспечивается надежность работы устройства. Одновременно можно увеличивать натяг между запорным элементом 13 и шпинделем 11 за счет большего сжатия упругого элемента 21 в исходном состоянии и отказаться от направляющих, препятствующих самопроизвольному вращению запорного элемента 13 потоком среды.

Данный вентиль может быть использован в качестве запорного и регулирующего устройства в энергетической, химической, газовой, нефтяной промышленности.

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к запорно-регулирующим устройствам, и предназначено для перекрытия проходных сечений трубопроводов пара, воды, других газов и жидкостей, работающих в условии высоких давлений и температур. Вентиль запорно-регулирующий содержит корпус с входным и выходным отверстиями для прохода рабочей среды, седло с уплотняемой поверхностью, сальниковую камеру, пакет сальниковых колец с шайбой, грундбуксу, нажимной элемент, шпиндель, связанный с рукояткой и запорным элементом со сферической уплотняемой поверхностью. Нижняя часть шпинделя выполнена с концевой частью. Последняя связана с отверстием запорного элемента. В указанном отверстии выполнена кольцевая расточка для установки фиксирующего элемента напротив кольцевой проточки на концевой части шпинделя и площадка. Площадка расположена внутри отверстия запорного элемента перпендикулярно его оси. Фиксирующий элемент выполнен в виде группы шариков. Шарики установлены в кольцевую канавку отверстия запорного элемента, связаны с кольцевым ленточным упругим элементом с осепараллельным и не радиальным разрезом. Упомянутый упругий элемент установлен в кольцевую проточку на концевой части нижней части шпинделя. Донная часть торцовой ступенчатой расточки шпинделя выполнена сферической формы. В большую ступень торцовой части установлен упругий элемент в виде шайбы. Отверстие шайбы связано с соосно расположенным шариком. Шарик установлен с зазором по отношению к донной части торцевой расточки. Отверстие запорного элемента выполнено с фаской для захода шариков. Ширина кольцевой проточки концевой части шпинделя выполнена большей, чем диаметр шариков фиксирующих элементов. Изобретение направлено на повышение надежности работы вентиля на высоких параметрах по температуре и давлению за счет компенсации всевозможных погрешностей, возникающих при изготовлении и вследствие температурных и упругих деформационных процессов в деталях в процессе эксплуатации, и обеспечение малых усилий для вращения шпинделя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вентиль запорно-регулирующий, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для прохода рабочей среды, седло с уплотняемой поверхностью, сальниковую камеру, пакет сальниковых колец с шайбой, грундбуксу, нажимной элемент, шпиндель, связанный с рукояткой и запорным элементом со сферической уплотняемой поверхностью, причем нижняя часть шпинделя выполнена с концевой частью, которая связана с отверстием запорного элемента, в котором выполнена кольцевая расточка для установки фиксирующего элемента напротив кольцевой проточки на концевой части шпинделя и площадка, расположенная внутри отверстия запорного элемента перпендикулярно его оси, отличающийся тем, что фиксирующий элемент выполнен в виде группы шариков, установленных в кольцевую канавку отверстия запорного элемента, связанных с кольцевым ленточным упругим элементом с осепараллельным и не радиальным разрезом, установленным в кольцевую проточку на концевой части нижней части шпинделя, донная часть торцевой ступенчатой расточки которого выполнена сферической формы, а в большую ступень торцевой части установлен упругий элемент в виде шайбы, отверстие которой связано с соосно расположенным шариком, установленным с зазором по отношению к донной части торцевой расточки, при этом отверстие запорного элемента выполнено с фаской для захода шариков, причем ширина кольцевой проточки концевой части шпинделя выполнена большей, чем диаметр шариков фиксирующих элементов.2. Вентиль по п. 1, отличающийся тем, что диаметр кольцевой проточки концевой части шпинделя ( д, мм ) выбирают из условия

д≤Д₁-2Д_ш-3в,

где Д₁ - диаметр ступени меньшего диаметра шпинделя, мм;

Д_ш - диаметр фиксирующих элементов (шариков), мм;

в - толщина ленты кольцевого ленточного упругого элемента, мм.