КЛАПАН ОСЕВОГО ПОТОКА Российский патент 2006 года по МПК F16K1/12 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к клапанам осевого потока, применяемым в промышленной трубопроводной арматуре, и может быть использовано для регулирования и перекрытия рабочих сред жидкостей и газов с большим давлением и с высокой температурой.

Известны конструкции клапанов на высокие параметры рабочей среды (см. «Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф.Гуревич и др. Атомиздат. 1978, рис.3.23, 4.3). Указанные конструкции клапанов имеют недостатки: большие габаритные размеры и массу арматуры, что прямым образом связано с использованием мощных приводов, высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, что снижает герметичность и ресурс клапанов, низкая пропускная способность и скорость срабатывания клапанов, трудности в осуществлении их плавной регулировки.

Известны конструкции запорных и запорно-регулирующих прямоточных клапанов осевого потока голландской фирмы MOKVELD (см. журнал «Химическое машиностроение» № 9, 2002, стр.29 рис.1, 2), которые имеют разгруженный плунжер, внутренняя поверхность которого герметизирована по отношению к выходной полости при перекрытом проходном сечении клапана. В этих клапанах существенно снижены пневмогидросопротивление и усилия приводов благодаря обтекаемости запорного органа. При этом диаметры уплотнительной поверхности седла и уплотнительной поверхности перемещающегося плунжера равны. Герметичность затвора и плунжера обеспечивается мягкими радиальными уплотнениями специальной конструкции.

Основным недостатком выше указанных конструкций является использование мягких уплотнений. Несмотря на использование комбинированных уплотнений (резина + эластомер) ресурс работы клапанов существенно снижается, особенно на рабочих средах, содержащих абразивные включения, и, самое главное, эти конструкции нельзя использовать с рабочими средами температурой более 200°С.

Наиболее близким техническим решением является конструкция запорно-регулирующего клапана осевого потока (см. «Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф. Гуревич и др. Атомиздат, 1978, стр.90, рис.4.7), принятого за прототип, у которого клапан осевого потока состоит из жестко соединенных между собой наружного корпуса с седлом и внутреннего корпуса, образующих спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженного плунжера с уплотнительными поверхностями, размещенными во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизмом осевого перемещения плунжера. Недостатком данной конструкции является то, что герметизация клапана осевого потока в закрытом положении обеспечивается посадкой на два уплотнительных пояска на внутренней поверхности седла. Обеспечить одновременно посадку двух уплотнительных металлических поясков плунжера с одинаковыми удельными давлениями на седлах практически невозможно, тем самым один из двух уплотнений будет не герметичен, что значительно снижает надежность работы устройства. Существенным недостатком является также и тот факт, что использование данной конструкции для перекрытия рабочей среды с большим давлением для создания двойного уплотнения требует больших усилий привода.

Задача, решаемая изобретением, - повышение надежности работы клапана осевого потока, работающего при высокотемпературных рабочих средах и при больших давлениях с использованием приводов малой мощности.

Сущность решения технической задачи заключается в том, что на плунжере установлен металлический сильфон со складывающейся формой гофр, один конец которого герметично соединен с ним, а другой конец герметично соединен с внутренним корпусом, обеспечивая при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера по направлению к седлу против направления движения рабочей среды, при этом средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла, а внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном, площадь проходного сечения которого больше площади посадочного кольцевого зазора.

На фиг.1 представлен продольный разрез общего вида клапана осевого потока с электроприводом в открытом положении.

На фиг.2 представлен продольный разрез общего вида клапана осевого потока с электроприводом в закрытом положении.

На фиг.3 представлен узел А фиг.1.

На фиг.4 представлен узел Б фиг.2.

Клапан осевого потока состоит из наружного герметичного корпуса 1 с седлом 2 и внутреннего корпуса 3, жестко соединенного с корпусом 1. В корпусе 3 установлен плунжер 4 с уплотнительной поверхностью 5 и разгружающими отверстиями 6. Механизм осевого перемещения плунжера 4 состоит из рейки 7 и вал-шестерни 8. На плунжере 4 установлен металлический сильфон 10 с концевыми втулками 11, 12. Концевая втулка 11 герметично соединена с плунжером 4, а втулка 12 герметично соединена с корпусом 3, причем средний диаметр сильфона 10 больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла 2. С корпусом 1 соединен фонарь 13 и электропривод 14. В корпусе 1 установлены сальниковый узел 15 для герметизации вал-шестерни 8 и сальниковый узел 16 для образования герметичного канала 17 байпасной линии 18, соединяющей через запорный клапан 19 внутреннюю полость сильфона Г1 с полостью высокого давления В рабочей среды.

Клапан осевого потока работает следующим образом.

В открытом положении клапан полостью В (см. фиг.1) воспринимает поток рабочей среды и обеспечивает осесемметричное протекание ее между внутренним корпусом 3 и наружным корпусом 1 с высокой пропускной способностью. Давление рабочей среды на входе в полости В и на выходе в полости Г одинаково. Рабочая среда, проникая в наружную полость В1 и внутреннюю полость Г1 сильфона 10, уравновешивает по усилию стенки растянутого сильфона 10, то есть сильфон полностью разгружен от давления среды, при этом дополнительно открыт клапан 19, который независимо от перепада давления на регулирующем органе поддерживает разгруженное состояние сильфона. При закрытии клапана электропривод 14 обеспечивает поворот вала-шестерни 8 относительно герметизирующего узла 15, создавая поступательное перемещение рейки 7 и плунжера 4 в направлении к седлу 2 клапана. При этом полностью разгруженный плунжер 4 сжимает сильфон 10 (см. фиг.2). Перемещение плунжера 4 происходит до жесткого упора уплотнительной поверхности 5 в седло 2, герметично отсекая полость В от полости Г. В положении клапана «закрыто» сильфон 10 (см. фиг.4) почти полностью сжат и представляет собой как бы жесткую армированную втулку. Усилия на рейке 7, созданного электроприводом, при высоких давлениях рабочей среды может оказаться недостаточным для обеспечения герметичности между уплотнительными поверхностями затвора клапана. Для того, чтобы увеличить усилие для уплотнения затвора, клапан 19 закрывается, при этом давление во внутренней полости Г1 сильфона падает до давления полости Г. Рабочая среда с высоким давлением из полости Г1 сбрасывается через посадочный кольцевой зазор Д в полость Г. Перепад давления между полостями сильфона, воздействующий на кольцевую площадь между средним диаметром сильфона и средним диаметром седла затвора, создает дополнительное усилие поджатия уплотнительных поверхностей.

Усилие от перепада давления рабочей среды особенно эффективно, так как оно направлено соосно уплотнительному пояску седла 2 и не вызывает нарушения плоскостности уплотнительных поверхностей.

Сильфон 10 в положении «закрыто» находится в наиболее благоприятных условиях, ибо воспринимает максимальный перепад давления, находясь практически в полностью сжатом состоянии. Герметизация вала-шестерни 8 при повороте обеспечивается сальниковым устройством 15, который имеет небольшой участок трения и тем самым имеет малый износ и повышенную надежность без дополнительной подтяжки сальника. Использование в конструкции сварного сильфона со складывающейся формой гофр позволяет обеспечить большой ход плунжера, высокую цикличность и необходимую прочность при высоких давлениях и температурах.

При открывании клапана осевого потока сначала открывается клапан 19 байпасной линии 18. Давление во внутренней полости Г1 сильфона сравнивается с высоким рабочим давлением полости В1 благодаря тому, что площадь посадочного кольцевого зазора Д меньше площади проходного сечения клапана 19, сильфон 10 разгружается и усилием механизма осевого перемещения плунжер перемещается на открытие или обеспечивает плавный процесс регулировки. Поддержание разгруженного состояния сильфона 10 в процессе регулировки, благодаря открытому положению клапана 19, а также благодаря разгруженной конструкции самого плунжера, позволяет плавно производить процесс регулирования, несмотря на имеющийся перепад давления на входе и выходе клапана. В таких условиях достигается высокая скорость срабатывания, что особенно важно для антипомпажного регулирования компрессоров.

Опытное изготовление предлагаемой конструкции доказало ее эффективность. Описанная выше конструкция значительно повысила надежность работы клапана осевого потока, работающего при высокотемпературных рабочих средах и больших давлениях.

Клапан осевого потока предназначен для использования в области машиностроения. Клапан содержит разгруженный плунжер с уплотнительными поверхностями. Плунжер размещен во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором. На плунжере установлен металлический сварной сильфон со складывающейся формой гофр. Один конец плунжера герметично соединен с плунжером. Другой конец сильфона герметично соединен с внутренним корпусом. Средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла. Внутренняя полость силъфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией. Последняя снабжена запорным клапаном. Площадь проходного сечения последнего больше площади посадочного кольцевого зазора. Обеспечивается повышение надежности работы клапана при высокотемпературных рабочих средах и при больших давлениях. 4 ил.

Клапан осевого потока, состоящий из жестко соединенных между собой наружного корпуса с седлом и внутреннего корпуса, образующих спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженного плунжера с уплотнительными поверхностями, размещенного во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором, и механизмом осевого перемещения плунжера, отличающийся тем, что на плунжере установлен металлический сварной сильфон со складывающейся формой гофр, один конец которого герметично соединен с ним, а другой конец герметично соединен с внутренним корпусом, обеспечивая при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера по направлению к седлу против направления движения рабочей среды, при этом средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла, а внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном, площадь проходного сечения которого больше площади посадочного кольцевого зазора.