КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ Российский патент 2006 года по МПК F16K1/54 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, опубл. БИ №20, 1996 г.). Известен 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.: Энергоатомииздат, 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), что является и источником повышенного шума. Изменение условной пропускной характеристики требует изменения конструкции клапана.

Известен многоступенчатый клетковый клапан для больших расходов, 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.: Энергоатомииздат, 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 изменена условная пропускная характеристика (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. 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).

Задачами изобретения являются: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования, как в областях малых, так и больших расходов среды, обеспечение возможности работы в средах, которые содержат твердые частицы, снижение уровня шума и эрозионного износа элементов дросселирования потока среды, уменьшение габаритов клапана.

Технический результат изобретения заключается в том, что применение рельефной ребристо-сотовой поверхности поршня и основного отверстия позволяет значительно снизить эрозионный износ деталей клапана, улучшить работоспособность клапана в загрязненных средах твердыми частицами, т.к. клапан имеет постоянный относительно большой зазор между поршнем и основным отверстием достаточным для прохождения твердых частиц с размерами меньшими, чем величина зазора, при этом снижается и уровень шума.

Технический результат достигается тем, что в клапане регулирующем, содержащем корпус с входным, выходным, основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня, который установлен с зазором в основное отверстие корпуса и имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним основном отверстии корпуса, наружные части поршня и основного отверстия выполнены рельефными, например, в виде радиальных кольцевых ребер, или сотов, или шипов, а шток поршня связан с винтовой передачей с возможностью вращательно-поступательного осевого перемещения, а основное отверстие снабжено винтовым ребром, внутренний диаметр которого меньше, чем диаметр основного отверстия, которое сопряжено с зазором с винтовой канавкой наружной поверхности поршня, внутренний диаметр которой меньше диаметра основного отверстия, а поршень снабжен винтовым ребром с наружным диаметром большим, чем диаметр основного отверстия, и сопряжен с винтовой канавкой основного отверстия с внутренним диаметром большим, чем основное отверстие, причем винтовые ребра и канавки основного отверстия, поршня, винтовая передача выполнены с равными шагами винтовой поверхности, кроме того:

- ребра, или соты, или шипы поршня или основного отверстия выполнены с наклоном под углом к оси;

- ребра, или соты, или шипы поршня или основного отверстия выполнены с наклоном к оси в разных направлениях;

- винтовые канавки имеют в сечении прямоугольный, или ромбовидный, или радиусный, или с радиусными закруглениями профиль;

- винтовые ребра имеют в сечении прямоугольный, или треугольный, или трапецеидальный, или радиусный, или с радиусными закруглениями профиль;

- шипы выполнены круглого или многогогранного сечения или вытянутой формы, например эллипсной или прямоугольной;

- шипы расположены в шахматном порядке или подобно сотовой поверхности так, что образуются пространства подобно лункам, или щелям, или сотам.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1, 2, 3 представлены фронтальные сечения клапана в рабочем положении, на фиг.4, 5 сечение винтовых канавок, на фиг.6 - сечение винтовых ребер, на фиг.7 - вид А на рельефную поверхность (форма).

Клапан регулирующий содержит корпус 1 с входным 2 (ВО), выходным 3 (ВО) и основным 4 (ОО) отверстиями. Со штоком 5 соединен регулирующий элемент в виде поршня 6, который имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним ОО 4 корпуса 1. Наружные поверхности 7, 8 поршня 6 и ОО 4 выполнены рельефными, например, в виде радиальных кольцевых ребер (фиг.7а), сотов (фиг.7б), шипов (фиг.7в-д), открытой пористой поверхности. Шток 5 поршня 6 связан с винтовой передачей 9 с возможностью вращательно-поступательного осевого перемещения. ОО 4 снабжено винтовым ребром 10, внутренний диаметр которого меньше, чем диаметр ОО 4, которое сопряжено с зазором с винтовой канавкой 11 наружной поверхности 7 поршня 6, внутренний диаметр которой меньше диаметра ОО 4. Поршень 6 снабжен винтовым ребром 12 с наружным диаметром большим, чем диаметр ОО 4, и сопряжен с винтовой канавкой 13 ОО 4 с внутренним диаметром большим, чем ОО 4. Винтовые ребра 10, 12 и канавки 11, 13 ОО 4, поршня 6, винтовая передача 9 выполнены с равными шагами винтовой поверхности. Ребра, или соты, или шипы поршня 6 или ОО 4 могут быть выполнены с наклоном под углом к оси 14 (фиг.2), причем наклон может быть в разных направлениях. Винтовые ребра 10, 12 могут быть выполнены с наклоном к оси в разных направлениях. Винтовые канавки 11, 13 имеют в сечении прямоугольный (фиг.4а, 5а) или ромбовидный (фиг.4б, 5б), или радиусный (фиг.4а, г, 5в, г) профиль и могут иметь радиусные закругления (фиг.5).

Поршень 6 может быть снабжен центрирующим штоком 15, который расположен с противоположной штоку 5 стороны и связан с центрирующим элементом 16, при этом он постоянно может находиться внутри корпуса 1. Это может быть отверстие в корпусе 1 с диаметром, равным диаметру штока 15. Центрирующий элемент 16 закреплен в корпусе 1 и может иметь сквозные отверстия для свободного перетока среды через него при движении штока 15.

Формы сечения лунок сот или пространства между ребер рельефных поверхностей могут быть: с радиальным, наклонным расположением боковых стенок, с плоской, цилиндрической (в сечении выглядят одинаково), со сферической, тороидальной формой дна.

Форма сечения винтовых ребер 10, 12 может быть прямоугольной, прямоугольной с закругленными кромками, треугольной, трапецеидальной, в том числе и с закругленными кромками (фиг.6).

Шипы рельефной поверхности могут быть разной формы в сечении (фиг.7в, г, д) - круглыми, треугольными, вытянутыми (прямоугольного, эллипсного, прямоугольного с закругленными кромками и др.). Шипы могут располагаться в шахматном порядке (фиг.7в, г) или с образованием подобия сот разного профиля (фиг.7д).

Для рельефных поверхностей 7, 8 поршня 6 и ОО 4 могут быть использован коррозионностойкий и эррозионностойкий материал, например минералокерамика; простые материалы, но с коррозионностойким, эррозионностойким покрытиями по всей рельефной поверхности 7, 8.

Клапан работает следующим образом.

Рабочая среда поступает через входное отверстие 2 в ОО 4 к поршню 6, дросселируется, проходя через щель, образованную ОО 4 и наружной поверхностью 7 поршня 6 в виде ребер, сот, шипов. При этом в потоке среды происходит появления смерчеобразных струй (вихрей) в лунках сотовой или межреберной рельефной поверхности, порожденных трением вязкого потока об обтекаемую поверхность, которые увеличивают или уменьшают сопротивление канала протоку среды в зависимости от конструктивных особенностей гребней (ребер, сот, шипов) их формы, размеров и размера щели (см. В.В.Алексеев И.А.Гачечепидзе и др. Смерчевой энергообмен на трехмерных вогнутых рельефах - структура самоорганизующихся течений их визуализация и механизмы обтекания поверхности // Труды второй Российской конференции по теплообмену Т.6. - М.: И-во МЭИ 1998, с.37-42). При этом срабатывается определенная часть входного рабочего давления. Чем ниже опущен поршень 6 в ОО 4, тем больше длина канала протока среды, сопротивление прохождению рабочей среды возрастает, перепад на клапане при одинаковом расходе возрастает или при постоянном перепаде давления уменьшается расход среды, проходящей через клапан. Когда поршень 6 полностью войдет в ОО 4 сопротивление прохождению рабочей среды максимально. Применение сотов позволяет ужесточить конструкцию, что важно при больших расходах, где имеют место большие скорости потока, т.к. на ребра, соты действуют значительные тангенциальные усилия со стороны потока среды. В каждой лунке сотов образуются вихри-смерчи, вектор скорости которых, при правильно выбранных размерах лунок, направлен против движения основного потока, что приводит к динамическому его гашению, т.е. вихрь, возникший при обтекании лунки, гасит скорость потока и срабатывает давление среды. Выполнение ребер, или сот, или шипов наклонными к оси 14 поршня 6 с образованием острого угла между их стенками и направлением потока среды (фиг.2, 3) увеличивают общее торможение потока, энергию вихрей и векторов их скоростей, направленных против потока среды.

Уменьшение зазора между поршнем 6 и основным отверстием 4 увеличивает сопротивление потоку среды, не только за счет увеличения сил вязкостного трения при увеличении скорости потока, но и за счет увеличения энергии вихрей, которая пропорциональна скорости потока среды в степени более 2, которые более интенсивно погашают скорость и энергию основного потока, из-за взаимного встречного движения микропотоков вихрей и основного потока. Изменение положения поршня 6 производят с помощью винтовой пары 9, при ее вращении шток 5 перемещается в осевом направлении на величину шага "t" за один оборот. Так как винтовые ребра 10, 12 и канавки 11, 13 выполнены по винтовой поверхности тоже с шагом "t", то поршень 6 изменяет свое положение, а относительное положение винтовых ребер 10, 12 в сечении по отношению к винтовым канавкам 11, 13 не изменяется. Прохождение потока среды по сложному зигзагообразному лабиринту с изменением вектора основного потока по направлению приводит к еще большей потере напора, энергии потока вместе с динамической потерей энергии от смерчей-вихрей, образованных в лунках сот, между ребер, шипов. Выполнение винтовых ребер 10, 12 ОО 4 и канавок 11, 13 наклонными к оси 14 с образованием острого угла между их стенками и направлением потока (фиг.3) среды увеличивают общее торможение потока за счет увеличения угла изменения вектора основного потока при движении по зигзагообразному щелевому лабиринту, чтобы обеспечить более интенсивную потерю энергии потока за счет крутых поворотов его пути. В конечном итоге это позволяет уменьшить габариты клапана.

Выполнение сот многогранными, особенно шестигранными, обеспечивает наибольшую прочность конструкции в тангенциальном направлении, четырехгранными - большую технологичность и простоту изготовления. Выполнение сот с плоским и цилиндрическим дном технологично, но при работе с загрязняющими примесями затрудняется эвакуация твердых частиц, которые могут попасть в застойные угловые зоны. Более рациональна конструкция сечения сот со сферической формой дна, что обеспечивает самоочищение ячейки сот, а также обеспечивает эффект увеличения скорости и энергии вихря за счет создания благоприятных для его закрутки условий по сферической поверхности дна лунки. Перечисленные выше эффекты могут быть усилены путем наклона боковых стенок сот за счет улучшения условий входа основного потока в лунку сот и формирования вихря, а также путем использования пирамидальной, а еще лучше цилиндрической, конусообразной формы внутренней поверхности лунки с закруглением донной части, где нет вообще застойных угловых и донных зон. Для межреберного пространства это означает выполнение формы дна в сечении тороидальной формы и с конической формой сечения внутреннего межреберного пространства.

Выполнение винтовых канавок ромбовидной формы позволяет улучшить условия входа основного потока в лунку рельефного профиля и обеспечить образование вихря большой энергии и скорости. Выполнение винтовых канавок радиусной и с радиусными закруглениями формы позволяет снизить сопротивление потоку и обеспечить низкое гидравлическое сопротивление, лучшие условия для образования направленных вихрей, т.к. острые кромки приводят к нерегулируемой микротурбулизации и нарушению стабильного процесса вихреобразования.

Выполнение винтовых ребер прямоугольной формы - технологично, треугольной, трапецеидальной формы или другой сложной формы (волнообразного профиля) - позволяет изменять скорости потока при движении по зигзагообразному лабиринту и влиять на процесс регулирования, а радиусная или с радиусными закруглениями форма ребер - позволяет улучшить и стабилизировать процесс вихреобразования в лунках.

Острые кромки способствуют излишней турбулизации и способствовать кавитации, что для больших скоростей потока клапана приведет к эрозионному их размыву и нарушению режима регулирования.

Выполнение шипов разной формы позволяет регулировать процесс вихреобразования в лунках, щелях, которые образованы пространством между шипами, при этом проток среды между шипами сводится к минимуму за счет особой формы шипов, например, вытянутой, и их расположения - шахматного, подобного сотам. Форму шипов, их расположение выбирают из условия их жесткости, большого гидравлического сопротивления в направлении между шипами и образования пространства, за счет расположения шипов, подобного лункам, щелям, сот.

Клапан обладает низкой чувствительностью к изменению размера щели для прохождения рабочей среды при эрозионном износе ребер и ребер сот, шипов рельефной поверхности, изменение размера щели незначительно изменяет сопротивления щели, а основным является правильный выбор размеров ребер, лунок сот, чтобы организовать вихри-смерчи максимальной энергии и скорости для торможения основного потока.

Особенность клапана - самоцентрирование, самоустановка поршня и отсутствие автоколебательных процессов, т.к. радиальные центростремительные усилия, действующие на поршень со стороны вихрей очень значительны и уменьшение зазора в каком-то месте приведет к увеличению радиальной составляющей силы, действующей на поршень в том же месте, что приведет к его смещению и выравниванию зазора, т.е самоустановке. С целью исключения процесса самоустановки, самоцентрирования, что не всегда возможно (при маложесткой конструкции поршня и больших перепадах, расходах), введен центрирующий шток 15, сопряженный с центрирующим элементом 16. Это позволяет обеспечить идеальное центрирование поршня 6 с ОО 4 и высокую жесткость поршня 6. Во многих случаях можно обойтись и без центрирующего штока 15 с центрирующим элементом 16 - при жесткой конструкции штока 5 и поршня 6.

В клапане применен принцип вязкостного трения и гидродинамического гашения скорости потока вихрями, которые образуются при обтекании потоком рельефной ячеистой поверхности, при которых сводятся к минимуму износ элементов клапана, из-за удаления от ячеистой поверхности (в середине щелевого потока среды) процесса столкновения вихрей с основным потоком. Клапан обладает низким уровнем шума и может работать в условии загрязнения рабочей среды.

Клапан обладает расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения широкого диапазона, разнообразия возможных характеристик регулирования в областях малых и больших расходов среды, низкого износа элементов дросселирования и возможности работы с загрязненными средами.

Конструкция клапана обладает простотой, т.к. используются рельефно-ячеистые материалы, которые обычно применяют в области уплотнения турбомашин, поэтому нет необходимости в технологических операциях сверления, прошивки отверстий, при этом упрощена технология изготовления. Рельефно-ячеистая поверхность может быть получена и методами накатывания, штамповки, прессования, электроэрозионной обработкой и т.д.

Обычно попадание нескольких абразивных частиц в зону регулирования или запирания клапана приводит к выходу его из строя. В данном случае клапан имеет преимущество, т.к. он мало чувствителен к загрязнениям рабочей среды, размер которых сравним с зазором между поршнем и основным отверстием. Более крупные частицы выводятся из зазора путем западания в лунку сот или межреберного, межшипового пространства.

Клапан имеет малые габариты, за счет того, что поток движется по зигзагообразной траектории и путь его значителен, при этом срабатывается рабочее давление больше, чем при отсутствии винтовых ребер и канавок.

Данный регулирующий клапан может быть использован в системах гидравлики, пневматики, энергетической, нефтегазовой промышленности.

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к регулирующим устройствам трубопроводов пара, воды, других газов и жидкостей, и предназначено для использования в системах гидравлики, пневматики, энергетической, нефтегазовой промышленности. Клапан регулирующий содержит корпус с входным, выходным, основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня. Поршень установлен с зазором в основное отверстие корпуса и имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним основном отверстии корпуса. Наружные поверхности поршня и основного отверстия выполнены рельефными, например, в виде радиальных кольцевых ребер, или сотов, или шипов. Шток поршня связан с винтовой передачей с возможностью вращательно-поступательного осевого перемещения. Основное отверстие снабжено винтовым ребром. Внутренний диаметр последнего меньше, чем диаметр основного отверстия. Основное отверстие сопряжено с зазором с винтовой канавкой наружной поверхности поршня, внутренний диаметр которой меньше диаметра основного отверстия. Поршень снабжен винтовым ребром с наружным диаметром большим, чем диаметр основного отверстиями, сопряжен с винтовой канавкой основного отверстия с внутренним диаметром большим, чем основное отверстие. Винтовые ребра и канавки основного отверстия, поршня, винтовая передача выполнены с равными шагами винтовой поверхности. Изобретение направлено на снижение эрозионного износа элементов клапана, улучшение работоспособности клапана в загрязненных средах твердыми частицами за счет применения рельефной ребристо-сотовой поверхности поршня и основного отверстия и за счет постоянного относительно большого зазора между поршнем и основным отверстием клапана. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Клапан регулирующий, содержащий корпус с входным, выходным, основным отверстиями, соединенный со штоком регулирующий элемент в виде поршня, который установлен с зазором в основное отверстие корпуса и имеет возможность перемещения в соосно расположенном с ним основном отверстии корпуса, отличающийся тем, что наружные поверхности поршня и основного отверстия выполнены рельефными, например, в виде радиальных кольцевых ребер, или сотов, или шипов, а шток поршня связан с винтовой передачей с возможностью вращательно-поступательного осевого перемещения, а основное отверстие снабжено винтовым ребром, внутренний диаметр которого меньше, чем диаметр основного отверстия, которое сопряжено с зазором с винтовой канавкой наружной поверхности поршня, внутренний диаметр которой меньше диаметра основного отверстия, а поршень снабжен винтовым ребром с наружным диаметром, большим, чем диаметр основного отверстия, и сопряжен с винтовой канавкой основного отверстия с внутренним диаметром, большим, чем основное отверстие, причем винтовые ребра и канавки основного отверстия, поршня, винтовая передача выполнены с равными шагами винтовой поверхности.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что ребра, или соты, или шипы поршня или основного отверстия выполнены с наклоном под углом к оси.3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что ребра, или соты, или шипы поршня или основного отверстия выполнены с наклоном к оси в разных направлениях.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что винтовые канавки имеют в сечении прямоугольный, или ромбовидный, или радиусный, или с радиусными закруглениями профиль.5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что винтовые ребра имеют в сечении прямоугольный, или треугольный, или трапецеидальный, или радиусный, или с радиусными закруглениями профиль.6. Клапан по п.1, отличающийся тем, что шипы выполнены круглого или многогогранного сечения, или вытянутой формы, например эллипсного или прямоугольного.7. Клапан по п.1, отличающийся тем, что шипы расположены в шахматном или подобно сотовой поверхности так, что образуются пространства подобно лункам, или щелям, или сотам.