КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ Российский патент 2005 года по МПК F16K1/02 F16K47/04 

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

Известен регулирующий клапан, содержащий корпус с входным, выходным отверстием и седлом, соединенный со штоком запорный орган в виде цилиндра с коническим участком для регулирования проходного сечения потока, привод штока (см. патент России №2064110, F 16 K 1/02, oп. Б.И. №20, 1996 г.). Известен аналогичный игольчатый клапан со сменным седлом и игольчатым конусно-параболическим органом регулирования (см. Благов Э.Е., Ивницкий Б.Я. Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.54, рис.4.5).

Недостатком устройств является сложность регулировки при больших перепадах давления на клапане в области малых расходов рабочей среды, для этого необходимо поддерживать очень маленькие зазоры между седлом и запорным органом (для срабатывания большей части входного давления среды), что создает трудности в регулировке. При этом в указанном зазоре имеют место высокие скорости потока, что приводит к размыву поверхностей седла и сопрягаемой с ней поверхности запорного органа, в дальнейшем регулировка в области малых расходов становится невозможной, а запорная функция клапана утрачивается. При попадании твердых частиц из потока рабочей среды в вышеуказанные зазоры возможно повреждение поверхностей седла и запорного органа и нарушение работоспособности (потеря запорной функции) клапана. В основе дросселирования использован принцип инерционного сопротивления (потеря давления связана с инерционными силами и ударами струй среды). В регулирующих органах инерционного сопротивления потеря давления пропорциональна квадрату скорости потока (см. там же, с.17). При этом уровень шума и эрозионный износ турбулизированного потока среды высок, т.к. увеличивается с ростом скорости среды, в данном случае она достаточна высока. Изменение условной пропускной характеристики требует изменения конструкции клапана.

Известен многоступенчатый клетковый клапан, содержащий корпус с входным, выходным отверстием, седло-втулку (клетку) с радиально перфорированными отверстиями, соединенный со штоком запорный орган в виде перфорированного радиальными отверстиями плунжера, связанного с седлом-втулкой (см. клапаны фирмы Honeywell, Introl в кн. Благов Э.Е., Ивницкий Б.Я. Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с.58-61, рис.4.8, 4.10).

Данный клапан имеет преимущество перед описанным выше аналогом, т.к. путем замены втулок (клеток) может быть достигнуто изменение условной пропускной характеристики (более широкий диапазон регулирования).

Недостатками клапана являются: сложность конструкции и изготовления (сотни и тысячи отверстий необходимо проделать в прочном материале втулки и плунжера, часто имеющих эрозионно-износостойкие наплавки); осуществить регулировку в области малых и сверхмалых расходов затруднительно, т.к. невозможно сделать тысячи отверстий малого диаметра, менее 0.5...0.1 мм). Широта диапазона регулирования ограничена и при изменении условной пропускной характеристики необходимо сменить втулку(клетку) и(или) регулирующий орган или сделать их с большими размерами. Таким образом функциональные возможности клапана ограничены, конструкция и технология изготовления втулки, плунжера сложны. Арматуру клеткового типа не рекомендуется применять на загрязненных твердыми частицами средах из-за попадания последних в зону трения плунжера с втулкой, повышенного износа поверхностей трения и быстрого выхода их из строя (заклинивание плунжера). В основе дросселирования использован также принцип инерционного сопротивления. При этом потеря давления пропорциональна квадрату скорости потока. При этом уровень шума и эрозионный износ турбулентного потока среды увеличиваются с увеличением скорости среды.

Задачами изобретения являются расширение функциональных возможностей за счет обеспечения широкого диапазона регулирования, особенно в областях малых и сверхмалых расходов среды, упрощение конструкции и технологии изготовления, повышение стойкости работы в средах, которые содержат твердые частицы, снижение уровня шума и эрозионного износа элементов дросселирования потока среды.

Технический результат достигается тем, что в клапане регулирующем, содержащем корпус с входным, выходным, основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня, который имеет возможность перемещения в соосно расположенном основном отверстии корпуса, первая часть поршня со стороны основного отверстия выполнена из одного или нескольких проницаемых элементов в виде осесимметрично расположенных шайб из объемного проницаемого пористого материала открытоячеистой структуры, а вторая часть поршня со стороны штока выполнена из непроницаемого материала, а в торцовую расточку корпуса напротив входного отверстия и с его перекрытием по сечению, неподвижно и соосно поршню, установлен один или несколько проницаемых элементов в виде шайб, внутренний диаметр которых выполнен равным, связанного с ним поршня, при этом корпус выполнен с кольцевой расточкой, расположенной напротив проницаемых элементов корпуса и связанной с входным отверстием.

Сущность изобретения заключается в том, что применение объемного проницаемого пористого материала с открытоячеистой структурой позволяет перейти к дросселированию при регулировании способом вязкостного сопротивления (потеря давления связана с вязкостным трением) вместо способа инерционного сопротивления, что позволяет значительно снизить шум и эрозионный износ деталей клапана, упростить технологию изготовления и улучшить работоспособность клапана в средах с небольшой концентрацией твердых частиц.

На чертеже представлена схема клапана в рабочем положении.

Клапан регулирующий содержит корпус 1 с входным 2, выходным 3, основным 4 отверстиями. Со штоком 5 соединен регулирующий элемент в виде поршня 6, который имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним и равного с ним диаметра основном отверстии 4 корпуса 1. Первая часть поршня 7 со стороны основного отверстия 4 выполнена из одного или нескольких проницаемых элементов 8 в виде осесимметрично расположенных шайб из объемного проницаемого пористого материала открытоячеистой структуры. Вторая часть 9 поршня 6 со стороны штока 5 выполнена из непроницаемого материала. В торцовую расточку 10 корпуса 1 напротив входного отверстия 2 и с его перекрытием по сечению, неподвижно и соосно поршню, установлен один или несколько проницаемых элементов 11 в виде шайб. Внутренний диаметр шайб 11 выполнен равным, связанного с ним поршня 6. Корпус 1 выполнен с кольцевой расточкой 12, расположенной напротив проницаемых элементов 11 корпуса 1 и связанной с входным отверстием 2. Проницаемые элементы - шайбы 8, 11 - могут быть выполнены с различной пористостью, средним размером пор и гидравлическим сопротивлением. Пористость и средний размер пор проницаемых элементов 8 поршня уменьшают в осевом направлении от его торца 13. Пористость и средний размер пор проницаемых элементов 11 корпуса 1 уменьшают в направлении к торцовой расточке 10 корпуса 1.

Проницаемые элементы 8, 11 могут быть выполнены из материала с упругими свойствами, например, металлорезины.

Для проницаемых элементов 8, 11 может быть использован: коррозионностойкий материал, например, нержавеющая сталь (заготовки в виде проволоки, шариков, порошков для последующего прессования спекания); износостойкий материал, например, минералокерамика (полученная методом порошковой металлургии, минеральные волокна); антифрикционный материал (с низким коэффициентом трения и износа), например, медесодержащие сплавы (латунь, бронза); эррозионностойкий материал (в среде пара, газа, агрессивных сред), например, стеллит.

Проницаемые элементы 8, 11 могут быть выполнены из простых материалов, но с коррозионностойким, или эррозионностойким, или бактерицидным покрытием по всему объему материала.

Поверхности трения проницаемых элементов 8, 11 могут быть выполнены из износостойких или антифрикционных материалов, покрытий, а те части деталей, которые не участвуют в процессе трения и износа, могут быть выполнены из других материалов.

Проницаемые элементы 8, 11 могут быть выполнены не проницаемыми для рабочей среды по плоским торцовым поверхностям 14, 15 - покрашены, иметь специальное непроницаемое поверхностное покрытие (напыление, наплавление, пропаивание и т.д.), а также иметь тонколистовые непроницаемые прокладки с чередованием между проницаемыми элементами.

Диаметр отверстий 16 проницаемых элементов поршня - шайб 8 можно увеличивать в направлении от торца поршня.

Клапан работает следующим образом. Рабочая среда поступает через входное отверстие 2 к проницаемым элементам 11, дросселируется, проходя через сеть многочисленных каналов порового пространства шайб, при этом срабатывается часть входного рабочего давления. Чем ниже опущен поршень 6 в отверстие проницаемых элементов 11, тем меньшая их высота участвует в процессе дросселирования потока, сопротивление прохождению рабочей среды возрастает. Выполнение проницаемых элементов 11 в виде шайб позволяет задавать любую характеристику клапану и сократить его размеры, например пористость, средний размер пор уменьшают в осевом направлении к торцовой расточке 10 корпуса 1. Это обеспечивает малые скорости потока в момент открытия и закрытия клапана, уменьшает эрозионный размыв поршня 6. Применение непроницаемых торцовых поверхностей 14 позволяет разделить поток среды на слои и направить его в направлении, перпендикулярном оси поршня 6 (основного отверстия 4). Кольцевая расточка 10 связана с входным отверстием 2 и обеспечивает равномерное распределение потока среды и твердых загрязнений, задерживаемых шайбами 11. В дальнейшем рабочая среда поступает через шайбы 11 к первой части 7 поршня 6, дросселируется, проходя через сеть многочисленных каналов порового пространства проницаемых элементов - шайб 8 части 7 поршня 6. Выполнение части 7 поршня 6 в виде набора осесимметричных шайб 8 из объемного проницаемого пористого материала с открытоячеистой структурой с различной пористостью, средним размером пор и гидравлическим сопротивлением позволяет задать любую характеристику. Применение непроницаемых торцовых поверхностей 15 шайб 8 позволяет разделить поток среды на слои и направить его в направлении, перпендикулярном оси поршня 6 (отверстия 4). При вхождении струй дросселированного потока (двойное дросселирование) в отверстия шайб 8 происходит гидродинамическое гашение их скоростей, так как их векторы направлены к оси поршня 6 и они ударяются друг о друга на оси. Это приводит к дополнительному срабатыванию давления среды, что еще более повышает эффективность работы клапана. В моменты открытия и закрытия клапана обеспечиваются небольшой расход, малый эрозионный износ подвижных деталей, за счет выполнения шайбы 8 части 7 поршня 6, которая расположена у части 9 поршня 6 и шайбы 11 у торцовой расточки 10 с низкой пористостью и большим сопротивлением потоку. Увеличение диаметра отверстий 16 шайб 8 от торца 13 поршня 6 позволяет выровнять удельную пропускную способность шайб 7, т.е. сопротивление потоку приблизить друг к другу, более пористая шайба имеет меньший внутренний диаметр. При этом рационально используется весь объем шайб 8 при максимальном открытии клапана, учитывая то, что самая нижняя шайба 8 имеет наибольшую пористость и наименьший диаметр отверстия, в этом отверстии будет наибольшие скорость потока и интенсивность гашения струй. Более того, высокоскоростной, устремленный к оси поршня 6 поток рабочей среды создает "завесу", которая гидродинамическим способом гасит скорость потока среды, который формируется на выходе из отверстий вышестоящих (более близких к штоку 5) шайб 8. Когда часть 9 поршня 6, которая выполнена из непроницаемого материала, войдет в основное отверстие 4, процесс дросселирования прекратится и клапан считается условно закрытым. Небольшие концентрации случайных твердых частиц будут задержаны проницаемыми элементами (шайбами 8, 11) и не приведут к повреждению трущихся поверхностей поршня 6 и основного отверстия 4 корпуса 1.

Основное условие работоспособности клапана заключается в очень точном изготовлении сопряжения "поршень - основное отверстие, отверстие кольца" с минимальными зазорами и погрешностями форм, причем сопротивление потоку зазора вышеуказанного сопряжения всегда должно быть значительно большим, чем сопротивление проницаемых элементов, для того чтобы основная часть потока дросселировалась именно там. Это требует применения антифрикционных и износостойких материалов.

Использование для проницаемых элементов (шайб) коррозионностойкого материала, например нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т (заготовки в виде проволоки, шариков, порошков для последующего прессования спекания), обеспечивает высокую коррозионную стойкость элементов дросселирования клапана в различных средах. Применение минералокерамики (карбид кремния, карбид титана) обеспечивает наряду с высокой коррозионной стойкостью и высокую износостойкость проницаемых элементов и поршня. Для клапана, который работает в интенсивном осциллирующем режиме, необходимо обеспечить применение антифрикционных материалов (с низким коэффициентом трения и износа), например медесодержащих сплавов (латунь, бронза), для поршня, проницаемых элементов в зоне их интенсивного трения. Внутреннюю часть проницаемых элементов желательно выполнять из эррозионностойких материалов (в среде пара, газа, агрессивных сред), например стеллита, керамики.

Выполнение проницаемых элементов, поршня из простых материалов, но с коррозионностойким, эррозионностойким покрытием по всему объему материала, позволяет снизить стоимость клапана и обеспечить высокую надежность работы.

Выполнение проницаемых элементов, поршня, основного отверстия корпуса из простых материалов, но с бактерицидным покрытием по всему объему материала, например гальваническим способом (серебрение), позволяет использовать клапан в медицине, в подводных лодках, на кораблях, обеззараживать воду от бактерий (не дать им возможность развиваться внутри порового пространства проницаемых элементов при ламинарном потоке среды).

Выполнение поверхностей трения проницаемых элементов, поршня, кольца, основного отверстия корпуса из износостойких, антифрикционных материалов или с износостойким, антифрикционным покрытием (способом наплавки, напыления, гальваническим и др.) обеспечивает малый износ пар трения. Это поддерживает точность зазора "поршень - основное отверстие, отверстие кольца", процесс дросселирования идет через проницаемые элементы, а не через вышеуказанный зазор сопряжения, что обеспечивает высокие эксплуатационные показатели клапана.

Основная особенность клапана - применение принципа вязкостного трения и гидродинамического гашения скорости потока, при которых сводится к минимуму износ элементов клапана. В первом случае из-за низких скоростей потока (ламиниризация) и во втором случае из-за удаления от поверхности отверстия шайб процесса столкновения и турбулизации струй, которые выходят из шайб с непроницаемыми торцовыми поверхностями 15, клапан обладает чрезвычайно низким уровнем шума и может быть использован на кораблях, подводных лодках, устройствах с регламентированным низким уровнем шума. Клапан стабилизирует поток среды на выходе за счет интенсивного дробления потока.

Клапан обладает расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения широкого диапазона, разнообразия возможных характеристик регулирования в областях малых и сверхмалых расходов среды.

Конструкция клапана обладает простотой в том смысле, что использованы готовые, пористые материалы открытоячеистой структуры, которые обычно применяют в области фильтрации, поэтому нет необходимости в технологических операциях сверления, прошивки отверстий (упрощена технология изготовления).

Обычно в области малых расходов размеры деталей клапана небольшие, попадание нескольких абразивных частиц в зону регулирования или запирания клапана приводит к выходу его из строя. В данном случае клапан имеет преимущество, т.к. проницаемые элементы дросселирования одновременно являются и фильтрующими элементами (особенно крупных частиц) при небольших уровнях загрязнения рабочей среды.

Данный регулирующий клапан может быть использован в системах гидравлики, пневматики, в энергетике, медицине.

Клапан предназначен для использования в арматуростроении, в частности в регулирующих устройствах трубопроводов. В клапане, содержащем корпус с входным, выходным и основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня, имеющего возможность перемещения в соосном основном отверстии корпуса и проницаемый элемент, выполненный из объемного проницаемого пористого материала с открытоячеистой структурой и являющийся первой частью поршня, вторая часть поршня со стороны штока выполнена из непроницаемого материала, причем диаметры поршня и основного отверстия выполнены равными, а проницаемый элемент или элементы выполнены в виде осесимметрично расположенных шайб. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет обеспечения широкого диапазона регулирования. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Клапан регулирующий, содержащий корпус с входным, выходным, основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня, который имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним и равного с ним диаметра основном отверстии корпуса, отличающийся тем, что первая часть поршня со стороны основного отверстия выполнена из одного или нескольких проницаемых элементов в виде осесимметрично расположенных шайб из объемного проницаемого пористого материала открытоячеистой структуры, а вторая часть поршня со стороны штока выполнена из непроницаемого материала, а в торцовую расточку корпуса напротив входного отверстия и с его перекрытием по сечению неподвижно и соосно поршню установлен один или несколько проницаемых элементов в виде шайб, внутренний диаметр которых выполнен равным связанному с ним поршню, при этом корпус выполнен с кольцевой расточкой, расположенной напротив проницаемых элементов корпуса и связанной с входным отверстием.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что проницаемые элементы - шайбы выполнены с различной пористостью, средним размером пор и гидравлическим сопротивлением.3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что пористость и средний размер пор проницаемых элементов поршня уменьшают в осевом направлении от его торца.4. Клапан по п.2, отличающийся тем, что пористость и средний размер пор проницаемых элементов корпуса уменьшают в направлении к торцовой расточке корпуса.5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что проницаемые элементы выполнены из материала с упругими свойствами, например металлорезины.6. Клапан по п.1, отличающийся тем, что для проницаемых элементов используют коррозионно-стойкий, или износостойкий, или антифрикционный, или эррозионно-стойкий материал.7. Клапан по п.1, отличающийся тем, что проницаемые элементы выполнены с коррозионно-стойким, или эррозионно-стойким, или бактерицидным покрытием по всему объему материала.8. Клапан по п.1, отличающийся тем, что поверхности трения проницаемых элементов выполнены из износостойких или антифрикционных материалов, покрытий.9. Клапан по п.1, отличающийся тем, что проницаемые элементы поршня и корпуса выполнены непроницаемыми для рабочей среды по плоским торцовым поверхностям.10. Клапан по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстий проницаемых элементов поршня - шайб увеличивают в направлении от торца поршня.