ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ДЛЯ КЛАПАНА Российский патент 2005 года по МПК F16K31/02 

Предлагаемое изобретение относится к области электромагнитных приводов для клапанов, например, для подачи газа в системах регулирования турбинных двигателей и компрессоров.

Известен электромагнитный клапан прямого действия с усеченно-коническими, контактирующими во включенном положении, торцовыми поверхностями подпружиненного якоря и стопа магнитопровода (см., например, кн.: Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков "Справочник конструктора трубопроводной арматуры", Ленинград, "Машиностроение", ЛО, 1987 г., стр.153, рис.2.125).

Известен клапан электромагнитный с магнитопроводом в виде магнитопроводящей, разделенной диамагнитной кольцевой проставкой, втулки с фланцами, с обмоткой и якорем, усеченно-коническая поверхность на одном из торцов которого является одновременно одной из запорных кромок клапана (Патент RU 2159378, C.1, F 16 К 31/02, 2000 г.).

Известен цилиндрический электромагнитный привод с втягивающимся якорем с усеченно-коническим рабочим зазором с двумя обмотками, соединенными последовательно (см., например, кн.: А.В.Гордон и А.Г.Сливинская "Электромагниты постоянного тока", "Госэнергоиздат", Москва, 1960, Ленинград, стр.292...300) - прототип.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности систем регулирования турбинных двигателей и компрессоров, в частности, путем повышения надежности электромагнитных приводов, устанавливаемых на применяемых в этих системах клапанах для подачи газа (запорных, запорно-регулирующих).

Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном приводе для клапана, содержащем магнитопроводящие корпус и фланец, каркас, состоящий из втулки и магнитопроводящих фланца и стопа, обмотку с клеммами, размещенную на каркасе в корпусе, якорь с жестко связанным с ним и подпружиненным в сторону размыкания стопа и якоря штоком клапана, мембрану с уплотнительными фланцами, опорный фланец и цепь питания, согласно изобретению контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими, выполненными под углом в интервале 40°...50° к оси привода, и расположенных у оснований этих конусов кольцевых поверхностей, перпендикулярных оси привода, с отношением наружных диаметров, являющихся наружным диаметром якоря и ответным ему диаметром на стопе, к внутренним, являющимися, соответственно, диаметром основания образующей усеченного конуса на торце якоря и ответным ему диаметром в основании конуса на стопе, в интервале 1,05...1,15, в вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в пределах 0,5...0,6, в наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие, при этом к клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения, в которых установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот.

Отличительным признаком предлагаемого электромагнитного привода для клапана является то, что контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими, выполненными под углом в интервале 40°...50° к оси привода, и расположенных у оснований этих конусов кольцевых поверхностей, перпендикулярных оси привода, с отношением наружных диаметров, являющихся наружным диаметром якоря и ответным ему диаметром на стопе, к внутренним, являющимися, соответственно, диаметром основания образующей усеченного конуса на торце якоря и ответным ему диаметром в основании конуса на стопе, в интервале 1,05...1,15, в вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в интервале 0,5...0,6, в наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие, при этом к клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения, в которых установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот.

На фиг.1 и 2 схематично представлен вариант конструкции электромагнитного привода для клапана с цепью питания обмотки привода.

На размещенном в цилиндрическом магнитопроводящем корпусе 1 каркасе 2, состоящем из втулки 3 и магнитопроводящих фланца 4 и стопа 5, размещена обмотка 6, закрытая магнитопроводящим фланцем 7, через штуцер 8 которого выведены концы обмотки 6 с установленным параллельно ей ограничителем перенапряжения 9 в виде диода или варистера и клеммами 10. Внутри каркаса 2 размещен с возможностью перемещения магнитопроводящий якорь 11 с обращенным к стопу 5 торцом, выполненным в виде выпуклого усеченного конуса 12 с образующей, выполненной под углом к оси привода в интервале 40°...50°, и кольцевой поверхности 13 у основания конуса 12 с отношением наружного диаметра поверхности 13, являющегося наружным диаметром якоря 11, к внутреннему диаметру, являющимся диаметром основания конуса 12, в интервале 1,05...1,15. Ответный якорю 11 торец стопа 5 выполнен с теми же геометрическими параметрами, что и ответный ему торец якоря 11 (при этом размеры торца якоря 11 выполнены с минусовыми допусками, а размеры торца стопа - с плюсовыми допусками). В вершине усеченного конуса 12 выполнен кольцевой уступ 14 с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в интервале 0,5...0,6. С наружной стороны фланца 4 каркаса 2 установлена мембрана 15, прижатая уплотнительным фланцем 16 к фланцу 4, а уплотнительным фланцем 17 - к торцу якоря 11 с противоположной стопу 5 стороны. На корпусе 1 через фланцы 4 и 16 укреплен опорный фланец 18, в котором выполнен сальниковый узел 19. С якорем 11 жестко соединен шток 20 с выходным через уплотнительный фланец 17 и сальниковый узел 19 концом 21. На выходном конце 21 штока 20 установлена пружина 22, одним торцем опертая на опорный фланец 18, а вторым - на тарель 23, закрепленную на выходном конце 21 штока 20. В уплотнительном фланце 16 выполнено радиальное дроссельное отверстие 24. К клеммам 10 подведены параллельно цепь 25 от шины силового напряжения 26 (например, =220В) и цепь 27 от шины пониженного напряжения 28 (например, =24В). В цепях 25 и 27 установлены выключатель 29 с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и выключатель 30 с возможностью одновременного (с наличием "времени пролета ключа") замыкания цепи 25 силового напряжения и размыкания цепи 27 пониженного напряжения, и наоборот.

Работает электромагнитный привод (см. фиг.1 и 2) следующим образом.

Когда привод обесточен, то есть на клеммах 10 (соединенных с выведенными через штуцер 8 концами обмотки 6 и с параллельно установленным ограничителем перенапряжения 9) отсутствует напряжение (либо нет напряжения на шинах силового 26 или пониженного 28 напряжения, либо разомкнут выключатель 29), то якорь 11 находится в нижнем положении под действием пружины 22. При необходимости открытия клапана для подачи газа (на фиг.1 и 2 не показан), на электромагнитный привод подают питание от шины силового напряжения 26. Для этого выключатель 30 ставят в положение замыкания цепи 25 (соответственно, цепь 27 при этом разомкнута), затем выключатель 29 ставят в положение замыкания цепей 25 и 27, при этом на клеммы 10 обмотки 6 (размещенной на каркасе 2 с втулкой 3, фланцем 4 и стопом 5) подается силовое напряжение постоянного тока, вокруг обмотки 6 образуется магнитный поток, главная (рабочая) часть которого проходит по магнитопроводящим корпусу 1, фланцу 4, стопу 5, фланцу 7, якорю 11. Главный магнитный поток, замыкаясь через рабочий (усеченно-конический) воздушный зазор, вызывает притяжение подвижного якоря 11 к стопу 5, преодолевая при этом сопротивления пружины 22 (опертой на тарель 23, укрепленную на выходном конце 21 штока 20) и перепада давлений газа на клапане. Поверхностями 12 и 13 якорь 11 садится на ответные поверхности стопа 5, после чего (с исчезновением воздушного зазора) для удержания якоря 11 в притянутом к стопу 5 положении требуется гораздо меньшая намагничивающая сила (меньший удерживающий магнитный поток). Поэтому выключателем 30 цепь 25 размыкают, а цепь 27 замыкают, на обмотку 6 по цепи 27 подается пониженное напряжение - электромагнитный привод работает в режиме удержания (потребляя меньшую мощность). Какое-то время - время между размыканием выключателем 30 цепи 25 и замыканием им цепи 22 ("время пролета ключа" - доли секунды) - на обмотке 6 отсутствует напряжение, но отрыва якоря 11 от стопа 5 не происходит, срабатывает эффект остаточной намагничивающей силы. Но влияние этого эффекта не настолько долговременно, чтобы оказать существенное влияние на требуемое время закрытия клапана (до 0,3...0,4 сек) при размыкании выключателя 26 (при пропадании напряжения питания).

Кольцевой уступ 14 способствует уменьшению утечек энергии магнитного потока по центру привода (что также повышает его эффективность), а также облегчает отрыв якоря 11 от стопа 5 при закрытии клапана из-за уменьшения контактирующей поверхности (конической).

Мембрана 15, зажатая между уплотнительными фланцами, 16, 17 и фланцем 4 и якорем 11, и сальниковый узел 19, встроенный в опорный фланец 18, препятствуют возможности проникновения протечек газа в электромагнитный привод. При закрытии клапана (при снятии с обмотки 6 напряжения питания) под действием пружины и перепада давлений газа мембрана 15 и дроссельное отверстие 24 в уплотнительном фланце 16 обеспечивают необходимое демпфирование (во избежание резких ударов клапана о седло).

Выполнение магнитопровода электромагнитного привода для клапана с предлагаемыми соотношениями размеров способствует повышению надежности и экономичности привода (обеспечивает большую удерживающую силу при относительно небольших геометрических размерах), чему способствует также и простая схема подключения питания обмотки привода.

Авторами разработаны рабочие чертежи электромагнитного привода для клапана в соответствии с предлагаемым изобретением, изготовлены опытные образцы клапанов на Ру 15 кгс/см², Ду 50 мм с такими приводами и установлены в системах обвязки газоперекачивающих агрегатов на магистральном газопроводе, где успешно работают уже несколько лет.

Электромагнитный привод для клапана предназначен для использования в системах регулирования турбинных двигателей и компрессоров. Электромагнитный привод содержит якорь с жестко связанным с ним и подпружиненным в сторону размыкания стопа и якоря штоком клапана. Контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими. Последние выполнены под углом в интервале 40°...50° к оси привода и расположены у оснований этих конусов. Кольцевые поверхности последних перпендикулярны оси привода. В вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в пределах 0,5...0,6. В наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие. К клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения. В последних установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот. Обеспечивается повышение надежности работы электромагнитного привода. 2 ил.

Электромагнитный привод для клапана, содержащий магнитопроводящие корпус и фланец, каркас, состоящий из втулки и магнитопроводящих фланца и стопа, обмотку с клеммами, размещенную на каркасе в корпусе между фланцами, якорь с жестко связанным с ним и подпружиненным в сторону размыкания стопа и якоря штоком клапана, мембрану с уплотнительными фланцами, опорный фланец и цепь питания, отличающийся тем, что контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими, выполненными под углом 40...50° к оси привода, и расположенных у оснований этих конусов кольцевых поверхностей, перпендикулярных оси привода, с отношением наружных диаметров, являющихся наружным диаметром якоря и ответным ему диаметром на стопе, к внутренним, являющимся соответственно диаметром основания образующей усеченного конуса на торце якоря и ответным ему диаметром в основании конуса на стопе, в интервале 1,05...1,15, в вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в пределах 0,5...0,6, в наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие, при этом к клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения, в которых установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот.