КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ Российский патент 2008 года по МПК F16K5/12 F16K47/04 

Изобретение относится к запорной и регулирующей арматуре, в частности к шаровым кранам.

Известен клапан регулирующий, содержащий составной корпус с входным и выходным патрубками, шаровой поворотный затвор со сквозным отверстием, шток, уплотнение штока, причем в сквозном отверстии шарового поворотного затвора прикреплены элементы дросселеривания (см. патент РФ №107758 1А, МКИ F16K, 5/10).

Недостатком данной конструкции является то, что при использовании для регулирования расхода рабочей среды не обеспечивается равномерность или заданная расходная характеристика, особенно в момент открытия, закрытия клапана (нелинейность).

Задачами изобретения являются: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения более широкого диапазона регулирования гидравлической характеристики, обеспечение заданного закона регулирования, снижение уровня шума и эрозионного износа элементов клапана потоком среды в момент открытия и закрытия его, упрощение технологии изготовления.

Технический результат изобретения заключается в том, что применение рельефной ребристой, сотовой, волнообразной поверхности перегородки позволяет значительно снизить эрозионный износ деталей клапана и уровень шума.

На фиг.1 показан фронтальный разрез клапана, на фиг.2 - горизонтальный разрез клапана А-А, на фиг.3 - горизонтальный разрез клапана А-А в момент открытия с одним блоком перегородок, заполняющим частично пространство отверстия шарового поворотного затвора, на фиг.4 - горизонтальный разрез клапана А-А в момент открытия с двумя блоками перегородок, заполняющим и частично пространство отверстия шарового поворотного затвора, на фиг.5 - горизонтальный разрез клапана А-А в момент открытия с одним блоком наклонных к оси отверстия шарового поворотного затвора перегородок, на фиг.6 - фронтальный разрез клапана А-А в момент открытия с блоком наклонных к оси штока перегородок, на фиг.7 - горизонтальный разрез клапана А-А в момент открытия с одним блоком перегородок, заполняющих все пространство отверстия, на фиг.8 - горизонтальный разрез клапана А-А в момент открытия с двумя блоками перегородок, заполняющих все пространство отверстия. На фиг.9, 10, 11, 12, 13 показано продольное сечение и расположение перегородок, на фиг.14 - продольное сечение перегородки с перфорацией. На фиг.15-20 представлены формы сечения лунок сот или межреберного пространства, расположенных с одной боковой стороны перегородки. На фиг.21-26 представлены формы сечения лунок сот или межреберного пространства, расположенных с двух боковых сторон перегородки.

Клапан регулирующий содержит составной корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, шаровой поворотный затвор (ШПЗ) 4 со сквозным отверстием (СО) 5, шток 6, уплотнение штока 7, седла 8 ШПЗ 4. В СО 5 ШПЗ 4 прикреплены элементы дросселеривания, выполненные в виде минимум одного блока (Б) 9 связанных друг с другом перегородок (П) 10, расположенных параллельно друг другу с щелевыми зазорами (ЩЗ) 11 для протока среды между ними, боковые поверхности (БП) 12 которых с одной (фиг.9, 12, 15...20) или обеих (фиг.10, 11, 21...26) сторон выполнены рельефными, например в виде ребер или сот (фиг.9...11), или волнообразными (фиг.12, 13), а торцовые поверхности (ТП) 13 - с внешней стороны СО 5 ШПЗ 4 выполнены сферической формы равного радиуса с наружной поверхностью ШПЗ 4. П 10 могут быть связаны друг с другом элементами связи в виде крепежных элементов (болтов, шпилек, гаек) ребер жесткости, коротких перемычек или дополнительных перегородок (ДП) 14 (вваренных между П 10).

П 10 могут быть расположены под углом к оси 15 штока 6 (фиг.6).

П 10 могут быть расположены под углом к оси 16 СО 5 ШПЗ 4 (фиг.5).

П 10 могут быть расположены под углом к оси 15 штока 6 и к оси 16 СО 5 ШПЗ 4 одновременно.

Б 9 П 10 может быть выполнен так, что в радиальном сечении СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в осевом направлении ШПЗ 4 в направлении от сферической поверхности ШПЗ 4 (фиг.2, 3, 5, 6, 7).

Б 9 П 10 может быть выполнен так, что в нормальном сечении СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 (фиг.2, 3, 5, 6).

Б 9 П 10 может быть выполнен так, что в нормальном сечении СО 5 ШПЗ 4 полностью занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 (фиг.7, 8).

Б 9 П 10 может быть выполнен так, что в радиальном сечении СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в осевом направлении ШПЗ 4 в направлении от сферической поверхности ШПЗ 4, а в нормальном сечении СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 (фиг.2, 3, 5, 6).

Один Б 9 П 10 может быть расположен со стороны входного 2 отверстия, а другой Б 9 П 10 - со стороны выходного 3 отверстия (фиг.2, 4, 8).

Б 9 П 10 могут быть расположены в шахматном порядке относительно оси 16 СО 5 ШПЗ 4 так, что образуют зигзагообразный лабиринт для протока среды в момент открытия или закрытия клапана (фиг.2, 4).

Ребра, соты рельефной БП 12 П 10 могут быть частично или полностью выполнены под углом к плоскости перегородки (фиг.18-20, 24-26).

Соты БП 12 П 10 могут быть выполнены с внутренней многогранной, например призматической (фиг.15, 16) или пирамидальной (фиг.17), формой.

Соты БП 12 П 10 могут быть выполнены с внутренней цилиндрической (фиг.15, 16, 19), или конической (фиг.17, 20), или сферической формой.

Соты БП 12 П 10 могут быть выполнены со сферической или эллиптической внутренней поверхностью дна лунки (фиг.16, 17, 19, 20).

Дно межреберной поверхности БП 12 П 10 могут быть выполнены с радиусным округлением (фиг.16, 17, 19, 20).

Некоторые или все из П 10 могут быть частично или полностью выполнены с перфорацией, например сквозными отверстиями (СО) 17 (фиг.14) разнообразной формы от щелевых до круглых, или из объемного проницаемого пористого изделия, например "металлорезины", керамики.

В рядом стоящих П 10, образующих ЩЗ 11 для протока среды между ними в БП 12 располагают так, что соты или впадины щелевого, волнообразного профилей П10, обращенных друг к другу, располагают напротив друг друга (фиг.10, 13).

В рядом стоящих П 10, образующих ЩЗ 11 для протока среды между ними, в БП 12 располагают так, что соты или впадины щелевого, волнообразного профилей П 10, обращенных друг к другу, располагают со смещением друг относительно друга, например в шахматном порядке - против впадины, щели одной П 10 располагают выступы другой П 10 (фиг.11, 12).

Клапан работает следующим образом.

Рабочая среда поступает через входное отверстие 2 в СО 5 ШПЗ 4, дросселируется, проходит через ЩЗ 11, образованные П 10 с БП 12 в виде ребер, сот, волнообразного профиля. При этом в потоке среды происходит появления смерчеобразных струй (вихрей) в лунках сотовой или впадинах щелевой, волнообразной рельефной БП 12 П 10, порожденных трением вязкого потока об обтекаемую поверхность, которые увеличивают сопротивление канала протоку среды в зависимости от конструктивных особенностей гребней (ребер) или сот, 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 меньше открыт ШПЗ 4 клапана, тем больше сопротивление прохождению рабочей среды возрастает, а при постоянном перепаде давления на ШПЗ 4 уменьшается расход среды, проходящей через клапан. Применение сотов позволяет ужесточить конструкцию, что важно при больших расходах, где имеют место большие скорости потока, т.к. на 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, но можно получить и эффект ускорения потока, когда векторы смерчей совпадают с вектором основного потока, что приводит к резкому возрастанию коэффициента расхода. Выполнение ребер или сот наклонными к плоскости П 10 с образованием острого угла между их стенками и направлением потока среды (фиг.18-20, 24-25) увеличивают общее торможение потока, энергию вихрей и векторов их скоростей, направленных против потока среды, обеспечивает лучшее формирование вихрей с заданными характеристиками. Уменьшение ЩЗ 11 между БП 12 П 10 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.

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 (фиг.15, 18). Более рациональна конструкция сечения сот со сферической формой дна (фиг.16, 17, 19, 20), 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 за счет наклона боковых стенок сот (фиг.19, 20), т.к. улучшаются условия входа основного потока в лунку сот. А еще лучше цилиндрическая (фиг.19), конусообразная (фиг.20) формы внутренней поверхности лунки, где нет вообще застойных угловых зон. Для межреберного пространства это означает выполнение формы дна в сечении радиусной формы (фиг.16, 17, 19, 20) и с конической формой сечения внутреннего межреберного пространства (фиг.17, 20).

Выполнение П 10 непроницаемыми обеспечивает течение среды только через ЩЗ 11 между П 10 в момент открытия, а выполнение П 10 ограничено - проницаемыми с СО 17 или полностью проницаемыми из объемного проницаемого пористого изделия, например "металлорезины" или керамики, обеспечивает переток среды между П 10. При этом создаются сложные криволинейные потоки, приводящие к взаимному гашению скоростей потока среды, что снижает шум и выравнивает гидравлическую характеристику при повороте ШПЗ 4. Выполнение П 10 с СО 17 с различными размерами, профилями, количеством, расстояниями по длине и высоте между собой, с различными размерами пор, пористостью ("металлорезины") можно регулировать характер, количество, скорость микропотоков, перетекающих через П 10. Выполнение пространства СО 5 с частичным или полным заполнением П 10 определяется гидравлической характеристикой. Подбор количества П 10 и формы их БП 12, количества, формы СО 17, их расположения в П 10 в соответствие с требуемой гидравлической характеристикой, коэффициентом пульсации давления, расхода, уровня шума на каждом участке регулирования осуществляют путем компьютерного моделирования (программа гидрогазодинамического исследования "Star-CD"), а затем уточняют при изготовлении опытных образцов.

Выполнение П 10 под углом к оси 15 штока 6 повышает жесткость П 10 при трении о седла 8.

Выполнение П 10 под углом к оси 16 СО 5 ШПЗ 4 влияет на расходную, шумовую характеристики.

Выполнение П 10 под углом к оси 15 штока 6 и к оси 16 СО 5 ШПЗ 4 одновременно повышает жесткость П 10 при трении о седла 8 и позволяет изменять расходную, шумовую характеристики.

Выполнение Б 9 П 10 так, что в радиальном сечении СО 5 ШПЗ 4 он частично занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в осевом направлении шарового поворотного затвора в направлении от сферической поверхности ШПЗ 4 позволяет влиять на расходную, шумовую характеристики.

Выполнение Б 9 П 10 так, что в нормальном сечении к оси СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 позволяет обеспечивать заданную расходную характеристику в момент открытия клапана, а при полном открытии - сопротивление потоку небольшое, т.к. имеется открытое пространство СО 5 ШПЗ 4.

Выполнение Б 9 П 10 так, что в нормальном сечении к оси СО 5 ШПЗ 4 полностью занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 позволяет обеспечивать любую расходную характеристику клапана при регулировании.

Выполнение Б 9 П 10 так, что в радиальном сечении СО 5 ШПЗ 4 он частично занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в осевом направлении шарового поворотного затвора в направлении от сферической поверхности ШПЗ 4, а в нормальном сечении к оси СО 5 ШПЗ 4 частично занимает пространство СО 5 ШПЗ 4 в радиальном направлении от поверхности СО 5 ШПЗ 4 позволяет обеспечивать заданную расходную характеристику в широком диапазоне в момент открытия клапана.

Расположение одного Б 9 П 10 со стороны входного отверстия 2, а другого Б 9 П 10 - со стороны выходного отверстия 3 обеспечивает большие возможности по регулированию в момент открытия клапана, т.к. поток среды изменяет свое направление дважды в СО 5 ШПЗ 4, движется по зигзагообразному лабиринту, что приводит к динамическому гашению скорости потока, обеспечивает более плавную гидравлическую характеристику в момент начала открытия клапана и исключает кавитацию и эрозионные повреждения СО 5 ШПЗ 4.

Расположение Б 9 П 10 в шахматном порядке относительно оси 16 СО 5 ШПЗ 4 так, что образуется зигзагообразный лабиринт для протока среды в момент открытия или закрытия клапана обеспечивает более плавную гидравлическую характеристику в момент начала открытия клапана и исключает кавитацию и эрозионные повреждения СО 5 ШПЗ 4, а при полном открытии клапана не ограничивается расход рабочей среды, т.к. имеет место небольшое сопротивлении потоку среды СО 5 ШПЗ 4 из-за значительного свободного пространства СО 5.

На гидравлическую, шумовую характеристику, условия формирования вихрей влияют не только параметры (размеры, диаметры, углы, радиусы, шаг углублений, глубина, ширина ЩЗ 11 и др.) лунки сот, щелевого, волнообразного профиля, но и относительное расположение углублений и выступов на БП 12 рядом стоящих П 10 друг против друга - могут располагаться напротив друг друга (фиг.10, 13) или со смещением друг относительно друга, например в шахматном порядке - против впадины, щели одной П 10 располагают выступы другой П 10 (фиг.11, 12). Таким образом, можно в очень широких пределах изменять расходную и шумовую характеристику клапана.

Одна из особенностей клапана - низкая чувствительность к изменению размера щели при эрозионном износе ребер и ребер сот рельефной поверхности, изменение размера щели незначительно изменяет сопротивления щели, а основным является правильный выбор параметров ребер и лунок сот, чтобы организовать вихри-смерчи максимальной энергии и скорости для торможения основного потока.

Основная особенность клапана - применение принципа 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.

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.

Конструкция клапана обладает простотой, т.к. используются широко применяемые в области уплотнения турбомашин рельефно-ячеистые материалы (готовые сотовые, щелевые элементы). Рельефно-ячеистая поверхность может быть получена и другими технологичными методами накатывания, штамповки, литья, прессования, электроэрозионной обработкой и т.д.

Данный регулирующий клапан может быть использован в системах гидравлики, пневматики, энергетики, медицины.

Изобретение относится к запорной и регулирующей арматуре, в частности к шаровым кранам, и предназначено для использования в системах гидравлики, пневматики, энергетики, медицины на трубопроводах пара, воды, других газов и жидкостей. Клапан регулирующий содержит составной корпус с входным и выходным патрубками, шаровой поворотный затвор со сквозным отверстием, шток, уплотнение штока и седла шарового поворотного затвора. В сквозном отверстии шарового затвора закреплены элементы дросселеривания. Элементы дросселирования выполнены в виде по меньшей мере одного блока связанных друг с другом перегородок. Эти перегородки расположены параллельно друг другу с щелевыми зазорами для протока среды между ними. Боковые поверхности этих перегородок с одной или обеих сторон выполнены рельефными, например в виде ребер или сот, или волнообразными. Торцовые поверхности этих перегородок с внешней стороны сквозного отверстия шарового затвора выполнены сферической формы равного радиуса с наружной поверхностью шарового затвора. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей клапана за счет обеспечения более широкого диапазона регулирования, на снижение уровня шума и эрозионного износа элементов клапана потоком среды в момент открытия и закрытия его. 19 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Клапан регулирующий, содержащий составной корпус с входным и выходным патрубками, шаровой поворотный затвор со сквозным отверстием, шток, уплотнение штока, седла шарового поворотного затвора, причем в сквозном отверстии шарового поворотного затвора прикреплены элементы дросселеривания, отличающийся тем, что элементы дросселирования выполнены в виде минимум одного блока связанных друг с другом перегородок, расположенных параллельно друг другу с щелевыми зазорами для протока среды между ними, боковые поверхности которых с одной или обеих сторон выполнены рельефными, например, в виде ребер, или сот, или волнообразными, а торцовые поверхности с внешней стороны сквозного отверстия шарового поворотного затвора выполнены сферической формы равного радиуса с наружной поверхностью шарового поворотного затвора.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что ребра боковых поверхностей перегородок частично или полностью выполнены под углом к плоскости перегородки.3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что соты частично или полностью расположены под углом к плоскости перегородки.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что соты выполнены с внутренней многогранной, например, призматической или пирамидальной формой.5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что соты выполнены с внутренней цилиндрической, или конической, или сферической формой.6. Клапан по п.1, отличающийся тем, что соты выполнены со сферической или эллиптической внутренней поверхностью дна лунки.7. Клапан по п.1, отличающийся тем, что дно межреберной поверхности выполнено с радиусным округлением.8. Клапан по п.1, отличающийся тем, что перегородки расположены под углом к оси штока.9. Клапан по п.1, отличающийся тем, что перегородки расположены под углом к оси сквозного отверстия шарового поворотного затвора.10. Клапан по п.1, отличающийся тем, что перегородки расположены под углом к оси штока и к оси сквозного отверстия шарового поворотного затвора.11. Клапан по п.1, отличающийся тем, что блок перегородок выполнен так, что в радиальном сечении отверстия шарового поворотного затвора частично занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в осевом направлении шарового поворотного затвора в направлении от сферической поверхности шарового поворотного затвора.12. Клапан по п.1, отличающийся тем, что блок перегородок выполнен так, что в нормальном сечении к оси отверстия шарового поворотного затвора частично занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в радиальном направлении от поверхности отверстия оси отверстия шарового поворотного затвора.13. Клапан по п.1, отличающийся тем, что блок перегородок выполнен так, что в нормальном сечении к оси отверстия шарового поворотного затвора полностью занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в радиальном направлении от поверхности отверстия оси отверстия шарового поворотного затвора.14. Клапан по п.1, отличающийся тем, что блок перегородок выполнен так, что в нормальном и радиальном сечениях к оси отверстия шарового поворотного затвора частично занимает пространство отверстия шарового поворотного затвора в осевом направлении шарового поворотного затвора от сферической поверхности и от поверхности отверстия шарового поворотного затвора.15. Клапан по п.1, отличающийся тем, что один блок перегородок расположен со стороны входного отверстия, а другой - со стороны выходного отверстия.16. Клапан по п.1, отличающийся тем, что блоки перегородок расположены в шахматном порядке относительно оси отверстия шарового поворотного затвора так, что образуют зигзагообразный лабиринт для протока среды в момент открытия или закрытия клапана.17. Клапан по п.1, отличающийся тем, что некоторые из перегородок или все перегородки частично или полностью выполнены ограниченно проницаемыми, например, с перфорацией сквозными отверстиями или выполнены из объемного проницаемого пористого изделия, например, из «металлорезины» или керамики.18. Клапан по п.1, отличающийся тем, что между перегородками расположены ребра жесткости в виде перемычек или дополнительных перегородок.19. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в рядом стоящих перегородках, образующих щелевой зазор для протока среды между ними, соты или впадины щелевого, волнообразного профилей на разных перегородках, обращенных друг к другу, располагают напротив друг друга.20. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в рядом стоящих перегородках, образующих щелевой зазор для протока среды между ними, соты или впадины щелевого, волнообразного профилей на разных перегородках, обращенных друг к другу, располагают со смещением относительно друг друга, например в шахматном порядке, против впадины щели одной перегородки располагают выступы другой перегородки.