УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КЛАПАН-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.

В арматуростроении широко известны различные типы клапанов обратных поворотных, см.рис.2.112; 2.115; 2.116 [Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л., Машиностроение, 1987 г.]. Общей характерной особенностью этих клапанов является то, что они открываются энергией проводимой среды (потоком), направляемой под тарелку (поворотный затвор), и не имеют управляющего привода. Положение тарелки, перекрывающей проходное сечение проточной части корпуса, определяется параметрами среды, главным образом, ее скоростью и давлением, а также площадью поперечного сечения тарелки и ее массы.

В зависимости от указанных факторов тарелка может занимать любое промежуточное положение между положением полностью открытого затвора и его закрытия, поворачиваясь для этого на определенный угол относительно плоскости проходного сечения седла.

При внезапном изменении направления потока, которое возможно при гидравлических ударах или от других причин, тарелка клапана под действием скоростного напора противотока поворачивается относительно оси вращения в противоположном направлении до посадки на седло и перекрывает клапан. Таким способом обратный клапан автоматически выполняет функцию защиты системы от повреждения.

Все перечисленные выше обратные поворотные клапаны не чувствительны к загрязненности среды, позволяют контролировать положение тарелки и использовать их как устройства для предотвращения гидравлического удара. Однако такая конструкция при открытом положении клапана постоянно находится в движении из-за гидродинамических возмущений, возникающих в потоке. При этом происходит колебательное движение затвора поворотного клапана и как следствие интенсивный износ оси и проушины тарелки.

Другим существенным недостатком для клапанов является относительно низкий ресурс и ремонтопригодность из-за повреждения уплотнительных поверхностей седла и тарелки вследствие постоянных ударов, обусловленных нестационарным режимом потока (пульсация, гидродинамические удары, вибрация и т.п.).

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 перемещается по очень сложной криволинейной траектории и требует приложения мощных усилий от приводного механизма, что существенно осложняет эксплуатацию данной арматуры.

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. Например, большинство обратных клапанов работают только как защитные устройства. 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 по патенту РФ №2117845 “Обратный клапан”, конструкция которого позволяет совместить функции регулирующего и обратного клапана. При этом 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.

Одна из задач, решаемых настоящим изобретением, состоит в создании такой конструкции арматуры, которая сочетает возможности и достоинства разных типов арматуры, а именно представляет собой запорный клапан, 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, может работать как запорно-регулирующий клапан в широком диапазоне регулирования, а также подобно обратным поворотным клапанам выполнять функции защиты системы от гидроударов. Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в расширении арсенала технических средств, используемых в данной области техники.

Другая задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в увеличении срока службы арматуры, а технический результат, обеспечивающий решение этой задачи, состоит в повышении инерционности срабатывания затвора при возникновении гидроударов в системе за счет применения демпферного механизма, смягчающего силу удара тарелки о седло.

Решение указанных задач может быть реализовано совокупностью существенных признаков, имеющихся в независимом пункте изобретения, т.е. при создании универсального клапана-затвора многофункционального назначения, который может работать как запорный и запорно-регулирующий орган в широком диапазоне рабочих параметров, включая давление и температуру, для самых разнообразных рабочих сред и одновременно обеспечивать функции обратного поворотного клапана.

Достижение требуемого технического результата, как было отмечено, обеспечивается путем применения в конструкции клапана специального демпфирующего механизма в виде герметичного по отношению к рабочей и окружающей среде сильфона, кинематически связанного (через механическую передачу) с поворотной тарелкой, но не имеющего жесткой связи с управляющим приводом. Демпфирование (торможение и успокоение) сильфон обеспечивает благодаря собственной жесткости и упругости, усиленными действием сил давления среды на эффективную площадь сильфона, которые всегда направлены в противоположном направлении к силам, открывающим и закрывающим тарелку.

Для пояснения сущности изобретения прилагается схематичное изображение универсального клапана-затвора, представленного на фигуре 1 в положении, когда давление рабочей среды отсутствует.

Конструкция универсального клапана-затвора состоит из корпуса 1, в котором встроено седло 2, перекрываемое поворотной тарелкой 3, подвешенной на оси 18. В качестве механической передачи, связывающей тарелку с сильфоном, изображено частное решение в виде кулисно-рычажного механизма. В пазу кулисы 4 установлен шарнирный ролик 17, принадлежащий поворотному рычагу 5, способному поворачиваться вокруг неподвижной оси 16. Рычаг 5 через шарнир 15 соединен со звеном 6, которое, в свою очередь, шарнирно через ось 14 соединяется с герметичным упором 13 конца сильфона 8. Внутри последнего имеется шпиндель 9 ручного винтового привода с резьбовой втулкой 10 и маховиком 11. Свободный конец шпинделя 9 выполнен в виде шарнирной пяты 12. На фигуре 1 показано, что между шарнирной пятой 12 шпинделя 9 и упором 13 имеется зазор “δ”, который исключает жесткую связь сильфона 8 с винтовым приводом 9-10-11.

В представленной конструкции механической передачи оси 18 и 16, вокруг которых происходит поворот кулисы 4 с тарелкой 3 и рычага 5, неподвижны. Остальные оси 17, 15, 14, принадлежащие системе кулисно-рычажного механизма, взаимодействующего с сильфоном и тарелкой, подвижны.

На фигурах 2 и 3 показан клапан-затвор в рабочем положении, когда он находится под действием давления Ру рабочей среды. Соответственно на фигуре 2 клапан закрыт, а на фигуре 3 клапан открыт полностью.

Траектории вращения рычага 5 и тарелки 3 с кулисой 4 показаны стрелками А и Б соответственно. Направление движения рабочей среды показано стрелкой Ру и направлено под тарелку.

Шарнирный конец 17 поворотного рычага 5 перемещается по круговой траектории, обозначенной стрелкой А. Причем при закрывании и открывании затвора шарнир 17 воздействует на поверхность кулисного паза 4 расположенного на тарелке 3.

Как было отмечено, демпфирование затвора клапана (тарелки) обеспечивается сильфоном 8, который находится под давлением рабочей среды в момент открытия клапана. Поскольку на сильфон действует “подъемная” сила, равная произведению давления на эффективную площадь сильфона, то эта сила удерживает тарелку, кинематически связанную с сильфоном, в определенном положении и препятствует ее движению в положение “закрыто” в момент гидроудара или противотока. Если тарелка стремится под действием скоростного напора среды резко открывать проходное сечение, то сильфон затормаживает это движение благодаря собственной упругости и жесткости, что также позволяет получить эффект демпфирования и смягчения ударного режима для тарелки. Таким образом, сильфон обеспечивает демпфирование тарелки и создает “мягкий” безударный режим клапана в цикле работы от положения “открыто” до положения “закрыто” в полном объеме.

Закрывание универсального клапана-затвора, показанное на фиг.2, осуществляется в следующей последовательности: вращением винтового привода 11-10-9 приводится в движение шарнирная пята 12 шпинделя 9, тем самым выбирается зазор “δ” между шпинделем и упором 13. При дальнейшем перемещении шпинделя усилие от крутящего момента Мкр на маховике передается на опору 13 и рычажно-кулисный механизм 6-5-4, управляющий тарелкой 3. При таком управлении клапан работает как запорный, т.е. герметично перекрывает седло 3 и отключает систему.

В случае открывания клапана необходимо вращением маховика 11 в обратном направлении, как это показано на фиг.3, привести в движение привод 11-10-9 и поднять шпиндель 9-12 на величину рабочего хода вверх. Тогда “подъемная” сила давления, действующая на сильфон 8, прижимает упор 13 к шпинделю, благодаря чему поднимает упор в верхнее положение, и через рычажно-кулисный механизм 6-5-4 переводит тарелку 3 в крайнее верхнее положение, тем самым полностью открывая проходное сечение клапана.

Приведенный порядок управления клапаном в режиме открывания позволяет установить тарелку 3 в любое фиксированное положение как в промежуточное, так и на полное открытие. Таким образом в данном случае клапан выполняет работу как регулирующий орган в широком диапазоне регулирования.

Выполнение работы заявляемого решения в режиме обратного клапана при возможном обратном потоке среды, гидроударе и т.д. выполняется автоматически, так как при гидроударе или противотоке тарелка 3 захлопывается силой давления рабочей среды, которая в этом случае действует в противоположном направлении, т.е. на тарелку. Это становится возможным из-за отсутствия жесткой кинематической связи между тарелкой, включая механическую передачу с сильфоном, и приводом 12-9-10-11. В момент гидроудара (противодавления) упор 13, закрепленный на конце сильфона 8, "отрывается" от шарнирной пяты 12 шпинделя 9. При этом сильфон растягивается на величину рабочего хода с образованием зазора “δ” между пятой 12 и упором 13.

Однако для обеспечения "отрыва" упора 13 от пяты 12 необходимо строгое выполнение условия, чтобы эффективная площадь сильфона 8 была меньше, чем площадь проходного сечения уплотнительной поверхности седла 2 и тарелки 3. В этом случае сила, закрывающая тарелку, будет больше, чем сила тормозящего демпфера.

Мягкость и безударность режима работы клапана определяется расчетными соотношениями площадей проходного сечения седла-тарелки и сильфона с учетом потерь на трение в самой системе и передаточного отношения между силами и моментами в механической, в частности кулисно-рычажной передаче.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре многофункционального назначения и предназначено для работы одновременно без переналадки в режиме обратного клапана, а также как запорный и запорно-регулирующий орган в широком диапазоне рабочих параметров, включая давление и температуру, для разнообразных рабочих сред. Универсальный клапан-затвор содержит корпус с седлом и крышкой, поворотную тарелку, установленную на оси вращения, и привод. Корпус выполнен герметичным за счет встроенного в него сильфона. Один конец сильфона выполнен неподвижным. Другой конец сильфона соединен с тарелкой через механическую передачу и выполнен подвижным. Между подвижным концом сильфона и приводом имеется зазор, выбираемый при закрытии затвора. Эффективная площадь сильфона меньше площади уплотнительной поверхности затвора. Изобретение сочетает возможности и достоинства разных типов арматуры, например задвижки, поворотного затвора, запорно-регулирующего и обратного клапана, обладает минимальным гидравлическим сопротивлением потоку проводимой среды, имеет сравнительно небольшой рабочий ход при перемещении запорного органа для полного открытия проходного сечения, не требует больших усилий для управления потоком рабочей среды и при создании герметичности в затворе. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Универсальный клапан-затвор, содержащий корпус с седлом и крышкой, поворотную тарелку, установленную на оси вращения, и привод, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным за счет встроенного в него сильфона, причем один конец сильфона выполнен неподвижным, другой конец, соединенный с тарелкой через механическую передачу, подвижным, а между подвижным концом сильфона и приводом имеется зазор, выбираемый при закрытии затвора, причем эффективная площадь сильфона меньше площади уплотнительной поверхности затвора.2. Универсальный клапан-затвор по п.1, отличающийся тем, что кинематическая схема механической передачи выполнена в виде кулисно-рычажного механизма.