КЛАПАН Российский патент 2008 года по МПК F16K3/08 F16K47/02 

Изобретение относится к запорно-регулирующим устройствам, а именно к клапанам, и предназначено для использования при конструировании клапанов для текучей среды (жидкости или газа, пара, парогазовой смеси и т.п.).

При создании регулирующей арматуры, в частности различных регулирующих устройств, клапанов, возникают проблемы, связанные с повышенной вибрацией, шумом и повышенным износом запорной аппаратуры при прохождении потоков.

Причины этих проблем могут быть весьма разнообразны. Например, вибрация и шум в результате неуравновешенности конструкции, вибрация в результате кавитации.

Как известно, явление кавитации возникает при резком изменении (уменьшении) давления в потоке. Иногда для плавного изменения давления устанавливают последовательно два клапана, однако при этом увеличиваются габариты, усложняется конструкция.

Для уменьшения вредных последствий кавитации устанавливают успокоители потока, например такая конструкция описана в статье Кривопускова Д.А. (http://regarm.newmail.ru/index.htm) Успокоитель потока представляет собой цилиндр, изготовленный из перфорированного коррозионно-стойкого стального листа с диаметром отверстий 2,5 мм и пригоден для работы регулирующих клапанов с жидкими, газо- и парообразными средами при наличии твердых включений (частиц) размером до 1,5 мм.

Успокоитель потока разбивает основные струи потока, выходящего из-под клапана, на более мелкие, тем самым уменьшая размеры и характер распределения вихрей и зон различного давления. Для случая кавитирующихся жидкостей успокоитель потока ограничивает собой размеры зоны кавитации, снижает энергию ударных волн и защищает корпус клапана от их негативного воздействия.

Однако такая конструкция может успешно применяться только при относительно больших перепадах давления.

Это обусловлено тем, что клапаны очень сильно различаются по назначению и по условиям работы. Успокоитель, описанный в статье Д.А.Кривопускова, предназначен для работы на клапанах с большими перепадами давления и чаще всего с малыми расходами, например на дроссельных клапанах. Известно, что эффект от установки решетки или системы решеток тем больше, чем больше на них перепад давления, поэтому при больших перепадах давления на клапане не возникает проблем с установкой решеток.

Регулирующие клапаны для мощных котлов при полном открытии должны иметь перепад давления не более 20-40 атм, желательно, чтобы это значение было еще меньше. При увеличении перепада давления повышается сопротивление клапана, которое преодолевает питательный насос, что при повышенных значениях перепада давления приводит к повышению затрат на собственные нужды электростанции. При расходах питательной воды 500-1000 т/час эти затраты становятся существенными.

Похожий конструктивный прием использован в регулирующем клапане, описанном в патенте РФ №2259508, содержащем корпус с входным и выходным патрубками. Запорный элемент выполнен в виде затвора, который перемещается относительно седла поступательно с помощью штока, при этом изменяется проходное сечение клапана. Затвор размещен в направляющей клетке, установленной в корпусе клапана.

Выходной патрубок клапана выполнен в виде диффузора, в узкой части которого закреплена полая втулка, выступающая внутрь патрубка на 0,3...0,1 его длины, торец втулки, обращенный к выходу, заглушен, а на ее боковой поверхности выполнены радиальные отверстия одинакового или разного диаметра.

Клапан работает следующим образом. При подаче управляющего сигнала на привод последний через шток перемещает затвор относительно седла, изменяя его проходное сечение. Рабочая среда, проходя через отверстия в клетке, дросселируется, снижая перепад давления на седле. Попадая во втулку, рабочая среда проходит большую часть пути через ее центральное отверстие сравнительно большого диаметра. На этом участке скорость потока низкая, давление высокое и кавитация не наблюдается. По мере приближения к закрытому торцу втулки среда проходит через гораздо меньшие радиальные отверстия, длина их мала, что создает эффект подобно соплу с острой кромкой. В этих точках скорость потока значительно увеличивается, давление уменьшается до величины упругости насыщенных паров или ниже и в потоке образуются каверны. Попадая в диффузор, поток расширяется, скорость его возрастает и происходит дальнейшее снижение давления на выходе из клапана.

Благодаря такой конструкции по мере удаления потока среды от седла снижается перепад давления на клапане и каверны разрушаются после того, как среда оказывается за пределами поверхностей затвора и седла, что предупреждает возможность их разрушения, обеспечивает снижение шума и вибрации клапана, обусловленных явлением кавитации.

Однако помимо кавитации источниками вибрации являются и другие явления, в частности эффект Кармана. Этот эффект заключается в том, что при набегании потока на тело обтекания за этим телом при объединении потока образуется вихрь. При определенных скоростях вихрь отрывается и приводит к пульсации потока на выходе из регулирующего клапана.

Этот эффект хорошо известен и даже используется в некоторых областях техники при создании, например, определителей скорости воздушного потока в автомобилестроении.

Исследования, проведенные авторами, показали что эффект, схожий с эффектом Кармана, в некоторых случаях возникает при регулировании потоков, в том числе при использовании для регулирования потоков текучих сред дисковых клапанов.

Клапаны дискового типа обладают некоторыми преимуществами по сравнению с клапанами других типов, в том числе описанными выше, а именно стабильностью расходной характеристики во времени, малой величиной механических люфтов, возможностью обеспечения расходной характеристики с любым законом изменения расхода среды от угла поворота золотника, отсутствием протечек среды в закрытом положении, высокой ремонтопригодностью.

Известен описанный в патенте РФ №2099623 клапан с разгрузочным устройством, содержащий корпус, входной патрубок и выходной патрубок. Внутри корпуса установлен запорный механизм, включающий неподвижное седло с пропускными профилированными периферийными окнами и центральным каналом. Седло контактирует с золотником, выполненным с вырезами и неподвижно соединенным со штоком (шпинделем). На корпусе закреплены крышка и цилиндр, образующие разгрузочную камеру, сообщенную со сливной полостью. В золотнике выполнено сквозное центральное продольное отверстие, а на уплотняющей поверхности золотника секторные пазы, образующие вместе с поверхностью седла промежуточную камеру, сообщенную с разгрузочной камерой и центральным каналом седла.

Поток жидкости поступает через входной патрубок, огибает среднюю часть запорного механизма (цилиндр, золотник), вначале разделяясь на два потока, а затем сливаясь в один, после чего эти потоки, продолжая объединяться, одновременно поднимаются вверх. Вертикальное движение потока продолжается до крышки. Вблизи крышки образовавшиеся два потока окончательно объединяются. Объединенный поток разворачивается и начинает опускное движение, при этом при прохождении затвора (седла и золотника) поток делится на две части. После прохождения золотника и седла поток в сливной полости объединяется во второй раз.

Таким образом, в этой конструкции происходит набегание потока вначале на запорную часть клапана, что вызывает неоднородность и нестабильность потока, а затем набегание объединенного уже нестабильного потока на запорный механизм (отверстия в золотнике и седле) и еще большее нарушение стабильности течения.

Такая конструкция при определенных режимах работы клапана приводит к возникновению пульсационного режима течения жидкости. Имеются экспериментальные замеры режима нестабильного течения питательной воды, проведенные авторами, в клапане разгруженного типа ДУ 250. При расходе воды 460 т/час, открытии клапана на 65%, давлении на входе 180 атм и давлении на выходе 150 атм наблюдалась пульсация давления за клапаном ±7 атм, в то время как пульсации давления воды на входе в клапан не превышали ±0,1 атм.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создать конструкцию клапана для регулирования потоков текучей среды, обеспечивающую стабилизацию потока регулируемой среды после выхода из клапана путем предотвращения слияния потоков при протекании среды через клапан при обеспечении минимальных потерь давления.

Поставленная задача решается тем, что в клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, установленный в корпусе запорный механизм, включающий неподвижное седло с пропускными профилированными окнами и золотник, контактирующий с указанным седлом, выполненный с вырезами и соединенный со штоком, крышку, закрепленную на корпусе, сливную камеру, примыкающую к седлу и включающую стакан и выходной патрубок сливной камеры, внутреннее пространство сливной камеры сообщается с внутренним пространством корпуса через указанные окна седла и вырезы золотника, в соответствии с изобретением внутри стакана под седлом в плоскости вертикального сечения клапана установлена перегородка.

Как указывалось выше, при обтекании потоком текучей среды препятствий в потоке возникают возмущения, причем при прохождении потоком текучей среды клапана наибольший вклад в нестабильность регулируемого потока вносит объединение потоков под седлом. Это обусловлено тем, что, поскольку расход среды контролируется степенью открытия отверстий седла, они являются самым узким местом в клапане. Соответственно именно при прохождении отверстий седла поток среды разгоняется до максимальной скорости и приобретает максимальную кинетическую энергии. Поэтому при объединении этих потоков под седлом возникают наиболее существенные возмущения.

Перегородка, установленная в стакане под седлом клапана, препятствует слиянию возмущенных потоков, прошедших отверстия седла и золотника. В результате объединение потоков происходит в сужающемся пространстве в выходном патрубке сливной камеры, что, как известно, обеспечивает более стабильное течение среды.

Целесообразно, чтобы перпендикулярно к перегородке, установленной внутри стакана, была установлена вторая перегородка так, что она охватывает золотник.

Установка такой перегородки препятствует выходу потоков регулируемой среды под крышку клапана и снижает тем самым возмущения в потоке.

Наличие или отсутствие такой перегородки определяется конструктивными особенностями клапана. Так, если золотник упирается в крышку, то необходимость в этой перегородке пропадает, поскольку сам золотник препятствует выходу среды под крышку.

Целесообразно, чтобы между запорным механизмом и стенкой корпуса со стороны, противоположной входному патрубку, была установлена дополнительная вертикальная перегородка так, чтобы она препятствовала объединению потоков в этом месте.

В этом случае регулируемая среда поступает в запорный механизм в виде двух потоков, которые независимо друг от друга проходят в отверстия седла и золотника. Этим еще больше снижается уровень возмущений на выходе из клапана.

На выходе из клапана может быть дополнительно установлена решетка, перпендикулярная исходящему потоку регулируемой среды. Необходимость такой решетки определяются параметрами клапана и допустимой величиной перепадов давления в потоке.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых

Фиг.1 показывает дисковый клапан, выполненный в соответствии с изобретением, в поперечном сечении;

Фиг.2 показывает вид А-А на фиг.1;

Фиг.3 показывает перегородки, установленные в клапане, выполненном согласно изобретению как на фиг.1, в более крупном масштабе.

Как показано на фиг.1, дисковый клапан содержит корпус 1, входной патрубок 2 и выходной патрубок 3. В корпусе 1 установлен запорный механизм, включающий неподвижное седло 4 с пропускными профилированными окнами (на фиг. не показано), и золотник 5, контактирующий с седлом 4. Золотник 5 соединен со штоком 6, который в свою очередь соединен с исполнительным механизмом (на фиг. не показано). На корпусе также закреплена крышка 7. Под запорным механизмом расположена сливная камера 8, примыкающая к седлу 4. Сливная камера 8 включает стакан 8а и выходной патрубок 8б.

Внутреннее пространство сливной камеры 8 сообщается с внутренним пространством корпуса 1 через окна 4а седла 4 и вырезы 5а золотника 5 (фиг.2). Между запорным механизмом (седло 4 и золотник 5) и стенкой корпуса 1 со стороны, противоположной входному патрубку 2, в плоскости вертикального сечения клапана установлена перегородка 9. Перегородка 9 жестко прикреплена к внутренней поверхности корпуса 1, например, сваркой.

Перегородка 9 должна (по размерам) быть как можно ближе к седлу 4, но не должна его касаться, т.к. седло 4 должно опираться на стакан 8а. Это позволяет обеспечить герметичность соединения по посадочной плоскости «седло-стакан». Если герметичность отсутствует, то вода при движении через зазоры «промывает» посадочные поверхности и в итоге возникает значительный неконтролируемый пропуск воды.

Перпендикулярно к перегородке 9, примыкая к ее верхнему краю, установлена перегородка 10 с отверстием в середине, так что эта перегородка 10 охватывает золотник 5. Перегородка 10 также жестко, например с помощью сварки, прикреплена к внутренней стенке корпуса 1. Перегородки 9 и 10 более крупно показаны на фиг.3. В стакане 8а сливной камеры 8 размещена перегородка 11, расположенная в той же вертикальной плоскости, что и перегородка 9. В выходном патрубке 3 корпуса 1 перпендикулярно исходящему потоку установлена решетка 12 (фиг.1). Решетка устанавливается как можно ближе к выходному отверстию выходного патрубка сливной камеры. Количество и размер отверстий в решетке определяются из условий минимального перепада давления, он не должен превышать 0,5-0,8 атм. Чем меньше размер отверстий и чем их больше, тем лучше работает решетка. Поэтому обычно по конструктивным ограничениям выполняют семь или тринадцать отверстий с толщиной перемычки между отверстиями (по условию прочности) 15-20 мм.

Устройство работает следующим образом.

Регулируемая среда поступает через входной патрубок 2 во внутреннее пространство корпуса 1 и постепенно его заполняет. При этом поток среды набегает на седло 4 и золотник 5, постепенно поднимаясь вверх до перегородки 10. При этом обе части потока поднимаются вдоль перегородки 9, не соединяясь, испытывая, таким образом, минимальные возмущения внутри потока. Затем каждая часть потока через ближайшее отверстие в золотнике 5 и седле 4 опускается в нижнюю часть запорного устройства и поступает в стакан 8а сливной камеры 8. Установленная в стакане 8а перегородка 11 не позволяет обеим частям потока объединиться непосредственно под седлом 4 в относительно большом объеме. Только на выходе из стакана 8а сливной камеры 8, где уже отсутствует перегородка, т.е. в выходном патрубке сливной камеры 8б, обе части потока соединяются. Известно, что при течении в сужающемся пространстве потоки ведут себя более стабильно, и поскольку здесь имеет место сужение, объединенный поток на выходе из регулирующего устройства оказывается более стабильным. Однако при относительно больших углах раскрытия потока (порядка 50-60°) эта особенность конструкции обуславливает повышение нестабильности течения и конструктивных решений в виде описанных выше перегородок, препятствующих соединению потоков среды, оказывается недостаточно. В этом случае дополнительную стабилизацию обеспечивает решетка 12, играющая роль успокоителя потока.

Описанный пример воплощения изобретения относится к конструкции дискового клапана. Однако перегородки могут применяться и в других конструкциях запорных устройств, в этом случае золотник «одевается» на перегородку.

В общем случае описанная конструкция, обеспечивающая объединение потоков регулируемой среды только на участках, где обеспечивается стабилизация потока, может быть успешно использована в тех случаях, когда конструкция клапана предполагает наличие более одного отверстия в седле клапана, и, следовательно, возникает необходимость в объединении потоков в выходном патрубке. Объединение потоков вызывает минимальные возмущения потока в том случае, если конструкция клапана обеспечивает однократное объединение потоков.

После установки разделителей (перегородок) пульсации за клапаном полностью пропали.

Таким образом, заявленная конструкция клапана обеспечивает стабилизацию потока регулируемой среды после выхода из клапана путем снижения влияния эффекта, сходного с эффектом Кармана. Это достигается установкой перегородок, препятствующих объединению потоков и исключающих возникновение вихрей, вызывающих пульсации потока.

Изобретение относится к запорно-регулирующим устройствам и предназначено для использования при конструировании клапанов для текучей среды. Клапан содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе установлен запорный механизм с неподвижным седлом с пропускными профилированными окнами и золотник. Золотник контактирует с седлом, выполнен с вырезами и соединен со штоком. Крышка закреплена на корпусе. Сливная камера примыкает к седлу и включает стакан и выходной патрубок. Внутреннее пространство сливной камеры сообщается с внутренним пространством корпуса через указанные окна седла и вырезы золотника. Внутри стакана под седлом в плоскости вертикального сечения клапана установлена перегородка. Изобретение обеспечивает стабилизацию потока регулируемой среды после выхода из клапана при минимальных потерях давления. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленный в корпусе запорный механизм, включающий неподвижное седло с пропускными профилированными окнами и золотник, контактирующий с указанным седлом, выполненный с вырезами и соединенный со штоком, крышку, закрепленную на корпусе, сливную камеру, примыкающую к седлу и включающую стакан и выходной патрубок сливной камеры, при этом внутреннее пространство сливной камеры сообщается с внутренним пространством корпуса через указанные окна седла и вырезы золотника, отличающийся тем, что внутри стакана сливной камеры под седлом в плоскости вертикального сечения клапана установлена перегородка.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что перпендикулярно к перегородке, установленной внутри стакана, установлена вторая перегородка так, что она охватывает золотник.3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что между запорным механизмом и стенкой корпуса со стороны, противоположной входному патрубку, установлена дополнительная вертикальная перегородка так, что она препятствует объединению потоков в этом месте.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что на выходе из клапана установлена решетка, перпендикулярная исходящему потоку регулируемой среды.