КЛАПАН Российский патент 2005 года по МПК F04B39/10 F16K15/08 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и предназначено для организации потоков рабочего газа в проточной части машин объемного действия, преимущественно компрессоров.

Известен клапан, содержащий ограничитель подъема, седло с отверстиями в виде параллельно расположенных пазов и параллельно расположенные запорные органы, выполненные в виде пластин, образующие между собой параллельные зазоры [Френкель М. И. Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1960, стр.332-335].

В таких клапанах имеют место высокие скорости соударения пластин с седлом, что приводит к разрушению и деформации этих элементов и, соответственно, к снижению ресурса клапана и ухудшению его герметичности.

Известен клапан, содержащий ограничитель подъема, седло с отверстиями, расположенными концентричными рядами, и запорные органы в виде кольцевых пластин, расположенные концентрично с образованием кольцевых зазоров [А.С. СССР №1225966, МКИ⁵ F 16 К 15/08. Кольцевой клапан. Опубл. 23.04.86 Бюл. №15.].

По сравнению с предыдущим аналогом такая конструкция более надежна и герметична за счет того, что запорные органы выполнены в виде кольцевых пластин из жесткого и высокопрочного материала, однако при высоких скоростях соударения запорных органов с седлом происходит разрушение элементов клапана, снижается его ресурс и герметичность.

Наиболее близким к заявляемому является клапан, содержащий седло, ограничитель подъема и размещенный между ними запорный орган, имеющие прорези, разделенные перемычками [А.С. СССР №1060856, МКИ⁵ F 16 K 15/08, F 04 B 39/10. Самодействующий клапан. Опубл. 15.12.83 Бюл. №46].

По сравнению с аналогами такая конструкция проще и надежнее за счет того, что в качестве запорного органа используется одна пластина. Однако при высоких скоростях удара этой пластины о седло происходит разрушение этих элементов клапана, что приводит к снижению его ресурса и ухудшению герметичности. Эти высокие скорости обусловлены, как и в аналогах, большой высотой подъема запорного органа над седлом, что в свою очередь связано с геометрией прорезей.

Задача изобретения - увеличение ресурса работы клапана.

Указанный технический результат достигается тем, что в клапане, содержащем седло, ограничитель подъема и размещенный между ними запорный орган, имеющий прорези, разделенные перемычками, прорези в седле и запорном органе расположены рядами таким образом, что расстояние между осями рядов определяется выражением

где а - определяющий размер прорезей;

δ - наименьшее расстояние между прорезями соседних рядов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1, 2 схематично показан заявляемый клапан с одинаковыми круглыми прорезями в седле и запорном органе, на Фиг.3 - заявляемый клапан с одинаковыми прорезями в виде правильных шестиугольников, на Фиг.4 - заявляемый клапан с круглыми прорезями в седле и с прорезями специальной формы в запорном органе, на Фиг.5 - заявляемый клапан с круглыми прорезями и фасками, выполненными на входе и выходе этих прорезей. На Фиг.2, 3, 4 условно не показан ограничитель подъема с прорезями.

Клапан содержит седло 1 с прорезями 2, запорный орган 3 с прорезями 4, ограничитель подъема 5 с прорезями 6. Причем прорези 2 и прорези 4 могут быть выполнены одинаковыми и круглыми с диаметром \a\, который является их определяющим размером, и расположены рядами в шахматном порядке так, что наименьшее расстояние между прорезью 2 и прорезью 4, равно \δ\, а наименьшее расстояние между осями рядов равно \b\ (Фиг.1, 2). Кроме того, прорези 2 и прорези 4 могут быть выполнены в виде правильных шестиугольников с диаметром вписанной окружности, равным \a\, который является их определяющим размером, при этом наименьшее расстояние между прорезью 2 и прорезью 4 равно \δ\, а наименьшее расстояние между осями рядов равно \b\ (Фиг.3). Если прорези 2 выполнены в виде круглых отверстий диаметром \a\, то прорези 4 могут иметь специальную форму со вписанной окружностью диаметром \a\, обеспечивающей наименьшее расстояние \δ\ между прорезями 2 и 4 на части окружности, ограничивающей прорезь 2 (Фиг.4). На Фиг.5 показан клапан, в котором прорези 2 и 4 могут быть выполнены круглыми с фасками диаметром \a\ на входе и выходе этих прорезей, который и является определяющим размером прорезей 2 и 4.

Клапан работает следующим образом. Давление газа, заполняющего всю проточную часть клапана, периодически изменяется (за счет работы машины объемного действия, в которой установлен клапан), причем давление в прорезях 2 изменяется по одному закону, а давление в прорезях 6 - по другому закону (например, так, как это имеет место в поршневых компрессорах [Френкель М.И. Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1960., стр.29-31]: с одной стороны запорного органа за время одного рабочего цикла давление плавно увеличивается от величины давления всасывания до величины давления нагнетания и затем снова уменьшается до величины давления всасывания, а с другой стороны запорного органа величина давления незначительно колеблется относительно некоторого номинального давления - либо давления всасывания, либо давления нагнетания). При этом давление газа действует на запорный орган 3 как со стороны седла 1, так и со стороны ограничителя подъема 5. Когда величина давления газа в прорезях 2 превысит величину давления газа в прорезях 6, запорный орган 3 поднимается над седлом 1 до ограничителя подъема 5 на высоту h_max. При этом газ течет через прорези 2, 4 и 6. Когда величина давления газа в прорезях 6 превысит величину давления газа в прорезях 2, запорный орган 3 начнет двигаться к седлу 1. При этом скорость удара запорного органа 3 о седло 1 зависит от величины h_max, причем уменьшение скорости удара достижимо при уменьшении величины h_max [Френкель М.И. Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1960, стр.369]. В свою очередь величина h_max зависит от геометрии прорезей 2 и прорезей 4.

В случае круглых прорезей 2 и 4 согласно теории самодействующих клапанов [Френкель М.И. Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1960, стр.220-221 ] площадь щели между седлом 1 и запорным органом 3 равна площади прорези 2 в седле 1 (f_щ≈f_c), что выразится соотношением πа²/4≈πah_max, откуда h_max≈а/4. (Аналогичные соотношения могут быть получены для прорезей 2 и 4 в виде правильных шестиугольников (Фиг.3)) При этом заявленное расположение прорезей 2 и прорезей 4 обеспечивает максимально возможное для их формы использование общей площади клапана, определяемой габаритными размерами седла 1. Выражение для величины b=а(0,75+2δ/а+δ²/a²)^1/2 получается из очевидных геометрических соотношений (Фиг.1, 2, 3, 4, 5): в прямоугольном треугольнике BCD (Фиг.2) гипотенуза ВС=а+δ, а катеты BD=b, CD=0,5, AC=0,5а.

В случае прорезей, выполненных в виде параллельных полос или концентричных кольцевых сегментов, как это имеет место в аналогах и прототипе, h_max≈a/2, где а - их определяющий размер (поперечная ширина полосы, имеющей форму вытянутого прямоугольника, длина которого намного больше ширины, либо радиальная ширина кольцевого сегмента); при одной и той же суммарной площади проходного сечения в прототипе и заявляемом клапане в последнем величина h_max меньше, поэтому меньше скорость удара запорного органа 3 о седло 1, чем это имеет место в аналогах и прототипе.

Снижение скорости удара запорного органа 3 о седло 1 позволяет снизить ударные нагрузки на них [Эрик X. Маху. Динамика клапанов поршневых компрессоров с более чем одной степенью свободы // Компрессорная техника и пневматика. 2002. №6, стр.9-16; Борохович А.И., Яковлев А.Ф., Колбасов М.Г. Экспериментальный метод исследования и оценка надежности прямоточных клапанов с поворотными пластинами // Исследования в области компрессорных машин. Труды 2 Всесоюз. Конф. по компрессоростроению. Киев:Будивильник. 1970, стр.41-45], следовательно, увеличить ресурс работы клапана.

Клапан, в котором прорези 2 и прорези 4 выполнены в виде правильных шестиугольников (Фиг.3), имеет большие площади проходного сечения прорезей, по сравнению с круглыми, и меньшие гидравлические потери. Клапан с круглыми прорезями 2 и прорезями 4 специальной формы (Фиг.4) сочетает в себе технологичность прорезей 2 и меньшие гидравлические потери в прорезях 4, которые имеют большую площадь проходного сечения, чем прорези круглой формы.

Клапан с фасками у прорезей 2 и 4 (Фиг.5) имеет меньшие гидравлические потери, чем клапаны с острыми кромками у этих прорезей.

Таким образом, предлагаемый клапан позволяет, по сравнению с ранее известными, увеличить ресурс его работы.

Устройство предназначено для использования в области энергомашиностроения для организации потоков рабочего газа в проточной части машин объемного действия, преимущественно компрессоров. Клапан содержит седло, ограничитель подъема и размещенный между ними запорный орган, имеющие прорези, разделенные перемычками. Прорези в седле и запорном органе расположены рядами таким образом, что расстояние между осями рядов определяется выражением: , где а - определяющий размер прорезей; δ - наименьшее расстояние между прорезями соседних рядов. Изобретение направлено на увеличение ресурса работы клапана. 5 ил.

Клапан, содержащий седло, ограничитель подъема и размещенный между ними запорный орган, имеющие прорези, разделенные перемычками, отличающийся тем, что прорези в седле и запорном органе расположены рядами таким образом, что расстояние между осями рядов определяется выражением

где а - определяющий размер прорезей;

δ - наименьшее расстояние между прорезями соседних рядов.