УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КЛИНОВОЙ ЗАТВОР Российский патент 2004 года по МПК F16K1/20 

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.

Широко известны в арматуростроении различные типы клиновых задвижек, см. рис. 2.656; рис. 2.66; рис. 2.67; рис. 2.68 [Справочник конструктора трубопроводной арматуры - Ленинград, “Машиностроение”, 1987 г.]. Общей характерной особенностью задвижек из указанного ряда является то, что герметизирующим элементом для них является двухсторонний клин с соответствующими ему контактными поверхностями седел (два седла) и механизм перемещения клина с выдвижным шпинделем.

Клиновые задвижки позволяют как перекрывать поток среды, образуя герметичное соединение клина с седлами, так и полностью открывать проходное сечение в корпусе задвижки, встроенной в трубопроводную систему.

Положительным свойством задвижек является малое гидравлическое сопротивление при полном открытии (подъеме) клина. Однако традиционная конструкция клиновых задвижек заранее предопределяет целый ряд серьезных недостатков, таких как

- невозможность нахождения клина в промежуточном положении, т.к. он подвержен разрушающим динамическим нагрузкам от потока среды, т.е. клин должен обязательно находиться или в положении “закрыто” или в положении полного открытия, что требует большого рабочего хода (>DN);

- передача рабочего усилия при герметизации и открытии непосредственно через уплотнительные рабочие поверхности клина;

- заклинивание в закрытом положении под воздействием термоциклических и других напряжений и деформаций;

- нарушение герметичности из-за естественного разрушения уплотнительных поверхностей клина и седел в момент максимальных нагрузок при закрытии и открытии (контактные напряжения);

- невозможность использования задвижек в качестве регулирующего устройства;

- относительно низкие ресурс и ремонтопригодность.

Известна конструкция обратного поворотного клапана, см. рис. 2.115 [Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, 1987 г.], 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 свойства для предотвращения гидравлического удара при резком закрытии клапана. Однако такая конструкция при открытом положении клапана постоянно вибрирует из-за гидродинамических возмущений, возникающих в потоке. При этом происходит колебательное движение затвора 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″^R. 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.

Известно также 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 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 каждый раз требуется дополнительная регулировка клапана и отключение системы трубопровода, т.к. данный клапан не является герметичным по отношению к внешней среде.

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.

За прототип выбрано техническое решение устройства арматуры по немецкому патенту DE 888489, конструкция которого позволяет применять его в качестве прямоточного запорного клапана для перекрытия и открывания потока рабочей среды. Этот вентиль позволяет открывать полностью проходное сечение за счет совмещения поступательного и вращательного движений запорного органа - клиновой тарелки с обратной конусностью. Однако это устройство имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих его промышленное применение, а именно:

- клиновая поворотная тарелка, выполненная заодно с механизмом захвата (зацепа), связанного с ходовыми винтами, управляющими перемещением тарелки от привода вентиля, в процессе открывания и закрывания не имеет строго фиксированного положения в каждый момент перемещения, т.к. в конструкции вентиля не предусмотрены поверхности (детали), ограничивающие положение самой клиновой тарелки в процессе линейного (поступательного) и вращательного движения относительно посадочной (уплотнительной) поверхности седла. Это не дает возможности исключить самопроизвольное отклонение или смещение положения тарелки относительно уплотнительной поверхности седла как в момент посадки при закрывании, так и в момент подъема при открывании. Кроме того, под воздействием динамических сил рабочей среды, вибраций, скоростных импульсов и других возмущающих факторов, обусловленных нестабильностью нестационарных процессов, имеющих место в процессе эксплуатации арматуры, возможно повреждение и деформация уплотнительных поверхностей узла затвора, что может привести арматуру и трубопроводную систему, в которой она установлена, в неработоспособное состояние;

- цапфы, с помощью которых клиновая тарелка в прототипе установлена в направляющих, являются незакрепленными и, следовательно, у тарелки ось вращения изменяет свое положение. По этой причине она не может занимать фиксированное положение при каком-то угле поворота в зоне проточной части арматуры, т.е. не может выполнять функции регулирования параметров рабочей среды.

- другим недостатком прототипа является большая величина рабочего хода (перемещения) запорного органа (тарелки), которое она совершает от положения "закрыто" до положения "открыто", несмотря на совмещенное (двойное) линейное и вращательное движение. Для полного открытия сечения проточной части тарелке необходимо совершить ход, примерно равный диаметру условного прохода арматуры (DN). Это влияет в первую очередь на избыточно большие габариты и вес арматуры.

- устройство арматуры по прототипу имеет чрезмерно сложный, многозвенный приводной механизм, включающий различные винтовые и зубчатые передачи, что является также ее недостатком.

- среди недостатков можно упомянуть и недостаточную жесткость конструкции запорного силового механизма привода, когда реактивная составляющая нагрузки в момент закрытия арматуры, возникающая при контакте клиновой опорной поверхности тарелки с ходовыми винтами, направлена под большим углом к продольной оси ходовых винтов и способствует их отжатию и изгибу, что может привести к разгерметизации арматуры даже при незначительных давлениях среды и нагрузках.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании такой конструкции арматуры, которая сочетает возможности и достоинства разных типов арматуры, а именно представляет собой поворотный затвор, который обладает минимальным гидравлическим сопротивлением потоку проводимой среды, имеет более короткую траекторию перемещения запорного органа для полного открытия проходного сечения, не требует больших усилий для управления потоком рабочей среды при создании герметичности в затворе и не требует передачи рабочих управляющих усилий через уплотнительные поверхности тарелки и седла.

Основной технический результат, который обеспечивает решение указанной задачи, заключается в уменьшении рабочего хода шпинделя за счет соотношения плеч рычага, а также уменьшения усилия при закрывании и открывании затвора. Это достигается за счет того, что клиновая поворотная тарелка подвешивается на неподвижной оси и используется принцип ее заклинивания при поступательном движении приводного механизма. При этом в качестве привода, вращающего тарелку, используется кулисно-рычажный механизм, имеющий кривошипно-шатунное звено.

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 рабочих сред.

Для пояснения сущности изобретения прилагается схематичное изображение универсального клинового затвора, представленного на фиг.1 и 2.

Конструкция универсального клинового затвора состоит из корпуса 1, в который встроено седло 2, перекрываемое поворотной тарелкой 3, подвешенной на оси 17. Тарелка 3 выполнена заодно с кулисой 4, в пазу которой установлен шарнирный ролик 16, принадлежащий поворотному рычагу 5, способному поворачиваться вокруг неподвижной оси 15. Рычаг 5 через шарнир 14 соединен со звеном 6, которое в свою очередь шарнирно через ось 13 соединяется с герметичным ползуном, в виде сильфона 8, внутри последнего встроен шпиндель 9 ручного винтового привода с резьбовой втулкой 10 и маховиком 11. Свободный конец сильфонного ползуна 8 через шарнир 12 соединен со шпинделем 9.

В представленной конструкции оси 17 и 15, вокруг которых происходит соответственно поворот кулисы 4 с тарелкой 3 и рычага 5, являются неподвижными. Остальные оси 16, 14, 13 и 12, принадлежащие системе кулисно-рычажного механизма, взаимодействующего с приводом через кривошипно-шатунный механизм, подвижны.

Траектории вращения рычага 5 и тарелки 3 с кулисой 4 показаны стрелками А и Б соответственно. Нижняя поверхность линейного паза кулисы 4, совпадающая с плоскостью 1-1, является одновременно рабочей поверхностью обратного клина с углом ϕ°, запираемого шарнирным концом 16 рычага 5.

Шарнирный конец 16 поворотного рычага 5 перемещается по круговой траектории, обозначенной стрелкой А. Причем при закрывании затвора шарнир 16 воздействует на поверхность кулисного паза в плоскости 1-1, а при открывании - на другую поверхность паза, параллельную также плоскости 1-1.

Как показано на фиг.1, движение рабочей среды под давлением Ру направлено под тарелку 3. На фиг.1 показано закрытое положение затвора, а на фиг.2 соответствует моменту полного открытия проходного сечения проточной части корпуса затвора.

Рабочее усилие в момент закрытия затвора от реактивной составляющей нагрузки, передаваемой при контакте клиновой поверхности с подвижным концом рычага, направлено вдоль продольной оси рычага 5, проходящей через центры шарниров 16 и 15, под углом α° к центральной оси проточной части корпуса затвора. Это создает условие надежной герметизации арматуры не только при низких, но и при высоких давлениях и нагрузках.

Открывание универсального клинового затвора осуществляется в следующей последовательности: вращением винтового привода 9-10 через маховик 11 приводится в движение шарнирный конец 12 шпинделя 9 герметичный сильфонный ползун 8, совершающий поступательное движение вверх вдоль вертикальной оси затвора, через шарнирное звено 6, преобразующего поступательное движение ползуна во вращательное движение рычага 5, поднимающего по траектории, обозначенной стрелкой А, кулису 4 и тарелку 3. При перемещении шпинделя 9 на величину рабочего хода, тарелка 3 вместе с кулисой 4 совершают поворот относительно оси 17 по траектории, совпадающей со стрелкой Б на величину полного открытия затвора, как это видно на фиг.2.

Для закрывания затвора необходимо вращением маховика 11 по часовой стрелке приложить крутящий момент и, перемещая шпиндель 9 вдоль оси затвора вниз, через кривошипно-шатунный механизм поз. 10-9-12-13-6-14-4, далее через кулисный механизм поз. 5-16-4-3 по траекториям, обозначенным стрелками А и Б, посадить тарелку 3 в седло 2 в положение, указанное на фиг.1.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре многофункционального назначения и предназначено для работы как в качестве запорного, так и в качестве запорно-регулирующего органа в широком диапазоне рабочих параметров, включая давление и температуру, для разнообразных рабочих сред. Универсальный клиновой затвор содержит герметичный корпус с седлом, крышку, поворотную тарелку, выполненную в виде клина, и привод. Привод выполнен в виде кулисно-рычажного механизма. Поворотная тарелка подвешена на неподвижной оси вращения и выполнена заодно с кулисной рамкой кулисно-рычажного механизма. Одна из поверхностей кулисной рамки имеет наклонную поверхность с углом, обеспечивающим заклинивание затвора при его запирании. Изобретение направлено на уменьшение рабочего хода шпинделя и уменьшение усилия при закрытии и открытии затвора многофункционального назначения. 2 ил.

Универсальный клиновой затвор, содержащий герметичный корпус с седлом, крышку, поворотную тарелку, выполненную в виде клина, и привод, отличающийся тем, что привод выполнен в виде кулисно-рычажного механизма, поворотная тарелка подвешена на неподвижной оси вращения и выполнена заодно с кулисной рамкой кулисно-рычажного механизма, причем одна из поверхностей кулисной рамки имеет наклонную поверхность с углом, обеспечивающим заклинивание затвора при его запирании.