КЛАПАН ЗАПОРНЫЙ МАГИСТРАЛЬНЫЙ МОДУЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ДЛЯ ВСТРОЕННОГО МОНТАЖА, ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР Российский патент 2009 года по МПК F16K39/02 F16K27/02 

Изобретение относится к области гидропневмоавтоматики, в частности к запорно-регулирующим устройствам, предназначенным для регулирования и перекрытия потоков рабочей среды в трубопроводных технологических линиях или магистралях, транспортирующих преимущественно газообразные среды с высокими давлениями и температурой.

Известен запорный клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, выполненное в корпусе, и подпружиненный запорный элемент с направляющей цилиндрической поверхностью и уплотняющей конической частью (см. Т.М.Башта «Гидравлические приводы летательных аппаратов». Издательство Машиностроение, Москва, 1967 г., с.242, рис.179).

Достоинством известного клапана является его высокая чувствительность, достигаемая обеспечением нулевого перекрытия проходных окон. Такие клапанные устройства просты в изготовлении и достаточно надежны в эксплуатации. Клапан приводится в действие вручную или с помощью механических или электротехнических устройств. Главным недостатком известного клапана являются большие усилия, которые требуются для преодоления сил от давления жидкости на рабочую поверхность запорного элемента. В связи с этим разгрузка клапанов от сил давления жидкости на их рабочие элементы имеет большое практическое значение, так как большие усилия на ручке управления затрудняют работу оператора, а также ограничивают применение клапанов в гидропневмосистемах автоматики, особенно при высоких перепадах давления и при больших проходных сечениях и расходах.

Известен клапан, содержащий корпус, установленные в корпусе седло, подпружиненный запорный орган в виде диска с эластичным уплотнением и соединенный с управляющим штоком, связанным с пневмоцилиндром управления, при этом управляющий шток герметизирован посредством сильфона (см. RU 2163318 С1, кл. F16K 1/12, 20.02.2001).

Применение сильфона в данной конструкции частично снижает усилие рабочей жидкости, воздействующей на запорный элемент со стороны входного канала, но необходимость приложения к запорному элементу значительных усилий для открытия и закрытия его по прежнему сохраняется, что подтверждается использованием пневмодвигателя управления достаточно высокой мощности. Данное обстоятельство затрудняет использование клапана, например, при высоких давлениях рабочей среды или больших расходах, так как сила, действующая на клапан от давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально давлению и площади запорного элемента.

Известен клапан (см. RU 2200265 С1, кл. F16K 3/24, 20.02.2001 г.), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана в виде торцовой кольцевой поверхности, запорный орган, соединенный с приводом, и уплотнительные узлы, при этом в корпусе жестко установлен цилиндрический вкладыш, а запорный элемент выполнен в виде полой втулки ступенчатой формы, установленной в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль внешней поверхности цилиндрического вкладыша.

Достоинством известного клапана является то, что он отличается простотой конструкции и компактностью исполнения, достигнутыми в основном вследствие размещения всех деталей клапана непосредственно в ступенчатой цилиндрической расточке корпуса. Кроме того, известный клапан позволяет снизить усилия, необходимые для перемещения запорного элемента. Конструктивно это достигается тем, что запорный элемент выполнен гидравлически или пневматически разгруженным от статических сил давления жидкости во входной камере, в результате чего исключаются условия возникновения значительных аксиальных составляющих сил, отрицательно воздействующих на привод запорного элемента.

В известном клапане нашли отражение и преимущества выполнения запорных органов с уплотняющими элементами тарельчатого типа. Так, герметичность клапана в закрытом положении обеспечивается за счет приработки (притирки) плоского седла клапана и нижней кромки запорного органа.

Для обеспечения работоспособности данного клапана сопрягаемые между собой направляющие цилиндрические поверхности корпуса, запорного элемента и неподвижно закрепленного вкладыша уплотнены и, следовательно, изготовлены с достаточно малыми кольцевыми зазорами. Учитывая, что при этом должно быть достигнуто и плотное торцовое прилегание запорного элемента к седлу вкладыша, это обстоятельство приводит к необходимости изготовления указанных деталей с высокой точностью. С другой стороны, высокая точность изготовления сопрягаемых пар, например, по направляющим поверхностям во многом обуславливает большую вероятность снижения герметичности клапана из-за отсутствия во время работы возможности самоустанавливания запорного элемента относительно контактной поверхности седла вкладыша.

Недостатком известного клапана является также низкая чувствительность и недостаточное быстродействие, вызванные значительными перекрытиями проходных отверстий вкладыша. В известном клапане, кроме того, при протекании через него рабочей среды высока вероятность формирования турбулентных потоков. Известный клапан увеличивает путь прохождения рабочей среды по трубопроводу, что способствует отложению твердых осадков на элементах клапана и истиранию клапана механическими частицами, находящимися в потоке рабочей среды во взвешенном состоянии.

Для повышения чувствительности и стабильности давления, а также для обеспечения эффективной разгрузки клапанов от осевых сил в настоящее время широко используются клапаны с серводействием (см. Т.М.Башта. «Гидравлические приводы летательных аппаратов». Издательство Машиностроение, Москва, 1967 г., с.246, рис.184).

В конструкциях такого типа клапанов помимо основного запорного органа применен вспомогательный запорный орган с уменьшенными геометрическими рабочими параметрами, перемещения которого отслеживает основной запорный орган, перепускающий или закрывающий основной поток рабочей среды под давлением. При открытии вспомогательного запорного органа давление в его камере управления понижается, в результате чего основной запорный орган синхронно открывается. При подаче команды на закрытие вспомогательного запорного органа основной запорный орган автоматически закрывается, причем усилие для открытия клапана с серводействием определяется только площадью запорной части вспомогательного запорного органа и соответствующим управляющим давлением рабочей среды.

Из числа известных аналогов заявляемого технического решения ближайшим аналогом (прототипом) может служить запорно-регулирующее устройство нормально закрытого типа с двухступенчатым режимом работы (см. патент RU 2184897 С2, 7 F16K 1/12, опубликованный 10.07.2002, бюллетень №19). Известное устройство содержит максимальное количество сходных с заявляемым клапаном конструктивных признаков, а именно устройство и клапан содержат корпус с присоединительными фланцами, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами, причем соосно с корпусом закреплен направляющий цилиндр для первого - главного запорного органа, расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющего цилиндра и взаимодействия с седлом, а второй - вспомогательный запорный орган, - выполнен с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с первым запорным органом и беззазорно состыкован со штоком сервопривода, при этом направляющий цилиндр второго запорного органа расположен соосно направляющему цилиндру главного запорного органа. В целом это устройство (в дальнейшем - клапан) отличается не только конструктивной сложностью, но и нетехнологичностью из-за необходимости обеспечения не только точности изготовления, а и строгой соосности взаимодействующих между собой деталей, установленных во внутренней ступенчатой расточке корпуса. Сложность конструкции во многом обуславливается труднодоступностью расположения неподвижно установленных седел первого и второго запорных органов со своими элементами крепления и стопорения (контровки).

Для плавного вхождения запорных органов на седла или схода с них при рабочих перемещениях заходные фаски запорных органов должны быть выполнены с высоким качеством. К недостатку следует отнести и то, что применяемые эластомерные уплотнения седел работают в тяжелых условиях, так как при переключениях эти уплотнения то входят, то выходят из контакта с запорными органами, испытывая при этом знакопеременные деформации по сечению от кромок заходных фасок запорных органов и перепадов давления и температур и, как следствие этого, подвергаются усиленному преждевременному механическому износу, что снижает эксплуатационную надежность и ресурс клапана в целом. Вертикальное расположение присоединительных фланцев накладывает определенные дополнительные технологические трудности в организации осуществления монтажа (демонтажа), технических осмотров, обслуживания и ремонта.

Конструктивное исполнение приведенного клапана-прототипа с соответствующими габаритно-массовыми характеристиками обеспечивает прохождение рабочей среды при открытых запорных органах, однако функциональные возможности его существенно ограничены и отличаются невысокими энергетическими показателями и недостаточной пропускной способностью проводимой среды, что обусловлено конструкцией седла - направляющего цилиндра, перфорированного проходными отверстиями.

Образованные при этом перемычки в окружном направлении существенно снижают полезную площадь расчетного сечения проходного канала седла. Кроме того, конструкция клапана аналога-прототипа повторяет недостаток клапана аналога (см. RU 2200265 С1, кл. F16K 3/24, 20.02.2001 г.), заключающийся в низкой чувствительности и недостаточном быстродействии из-за наличия увеличенных перекрытий проходных окон, образованных в силу конструктивной необходимости размещения и встройки на направляющих поверхностях седел уплотняющих эластомерных элементов.

Рост технического уровня эксплуатации линий, магистральных систем с переменным потреблением энергии рабочей среды требует создания запорно-регулирующей аппаратуры с качественно новыми характеристиками. Помимо этого, она должна быть компактной и обладать высокой эксплуатационной технологичностью.

Необходимо отметить, что большинство рассмотренных типов конструкций запорных клапанов, включая конструкцию аналога-прототипа, имеют, как правило, «монофункциональное» применение, поэтому наиболее актуальным на сегодняшний день становится вопрос разработки и создания запорных клапанов универсального применения, сочетающих в себе «многофункциональные» возможности и позволяющих при этом уменьшить существующую номенклатуру конструкций двухкаскадных запорных клапанов.

На существующем уровне техники известные конструкции запорно-регулирующих устройств, включая конструкцию аналога-прототипа, не удовлетворяют разработчиков объектов применения из-за несоответствия запорных устройств специальным требованиям. В частности, выдвигаются требования по выполнению современных принципов агрегатирования и модульности исполнения составляющих элементов. Соблюдение указанных принципов, как известно, открывает возможность проводить автономную отработку технических характеристик и испытания, позволяет выполнить встройку запорно-регулирующего устройства непосредственно в технологическую линию или в линию магистральной системы, а также упростить работы, связанные с монтажом, демонтажем и ремонтом непосредственно на объекте применения.

В совокупности указанные недостатки известного запорно-регулирующего устройства аналога-прототипа в достаточной мере снижают эксплуатационные качества и ограничивают его применение, например, в условиях воздействия высоких температур, давлений и значительной энергии потока «сдросселированного» газа, нередко несущего в своем составе посторонние включения и механические примеси.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание такой конструкции запорного клапана, которая сочетает в себе возможности и достоинства известных запорных устройств, но имеет при этом более надежную, технологичную и ремонтопригодную конструкцию с одновременным достижением других технико-экономических показателей:

- реализация выполнения запорного клапана в виде единого блока-модуля с возможностью легкого встраивания непосредственно в линию магистральной системы и автономной отработки технических характеристик,

- снижение потерь напора и мощности путем сокращения пути и максимального «спрямления» траектории прохождения основного потока рабочей среды через клапан,

- повышение чувствительности и быстродействия запорных органов и снижение гистерезисных явлений на переходных режимах управления,

- повышение работоспособности и герметичности запорных органов клапана в условиях воздействия высоких температур и давлений рабочей среды,

- улучшение и стабилизация параметров герметичности по вспомогательному запорному органу за счет возможности его самоустановки на уплотняющее седло главного запорного органа.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом запорном магистральном клапане модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур (запорном клапане), содержащем корпус с присоединительными фланцами, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами, причем соосно с корпусом закреплен направляющий цилиндр для первого - главного запорного органа, расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющего цилиндра и взаимодействия с седлом, а второй - вспомогательный запорный орган, - выполнен с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с первым запорным органом и беззазорно состыкован со штоком сервопривода, при этом направляющий цилиндр второго запорного органа расположен соосно направляющему цилиндру главного запорного органа, согласно изобретению присоединительные фланцы запорного клапана с крепежными отверстиями и уплотнительными торцовыми элементами выполнены за одно целое в виде единой детали с корпусом, а разъемы фланцев расположены по поверхности, проходящей через центры отверстий входа и, соответственно, выхода рабочей среды, при этом центральная вертикально расположенная расточка корпуса выполнена многоступенчатой с формированием на участке средней ступени основного седла и двух кольцевых цилиндрических проточек, образующих при взаимодействии с главным запорным органом замкнутые кольцевые полости входа и выхода рабочего тела, а на участке меньшей ступени - глухой направляющей цилиндрической расточки, формирующей при взаимодействии с главным запорным органом кольцевую разгрузочную полость, ограниченную днищем глухой расточки, причем корпус конструктивно и функционально выполнен по симметричной горизонтально ориентированной схеме расположения фланцевых элементов, включая боковые радиальные каналы, напрямую соединяющие кольцевые проточки входа и выхода центральной расточки корпуса с соответствующими центральными отверстиями присоединительных фланцев, при этом запорный магистральный клапан, включающий в себя главный и вспомогательный запорные органы вместе с состыкованным штоком сервопривода образован в виде единого блока-модуля с возможностью встраивания непосредственно в линию магистральной системы и автономной отработки технических характеристик и сформирован в виде соосно размещенных в центральной многоступенчатой расточке корпуса и направляющем цилиндре двух гидравлически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления главным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло» с общей камерой командного давления, размещенной между указанными устройствами с возможностью сообщения ее через дроссель с источником поступающего давления, устройство управления главным запорным органом состоит из корпуса с основным седлом, с кольцевыми полостями входа и выхода, разделяющего эти полости главного запорного органа с конической уплотняющей частью, и соосно закрепленного с корпусом направляющего цилиндра, при этом главный запорный орган подпружинен относительно опорного торца направляющего цилиндра и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой проточкой нагнетания и уплотнением на внешней установочной поверхности - большей ступени, с конической запорной частью - на средней ступени, с осевым наружным центрирующим выступом, образующим меньшую ступень со стороны конической уплотняющей части и с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой, с седлом, образованным в центральном канале меньшей ступени, на поверхности направляющей расточки средней ступени на участке перехода к меньшей ступени сформирована кольцевая коллекторная канавка, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом камеру командного давления и соединение ее с наружной кольцевой проточкой нагнетания через радиально направленные дросселирующие каналы, причем главный запорный орган установлен с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения в направляющих расточках неподвижного цилиндра и корпуса и плотного контакта и взаимодействия конической запорной части с седлом входной кольцевой проточки корпуса, при этом в теле центрирующего выступа главного запорного органа опозитно кольцевой проточке выхода рабочей среды выполнена диаметрально расположенная пара радиально ориентированных проходных отверстий с возможностью постоянного сообщения между собой упомянутой кольцевой проточки, кольцевой разгрузочной полости и центрального канала отвода рабочей среды от вспомогательного запорного органа, устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно образовано в виде самостоятельной сборочной единицы с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри охватывающей направляющей расточки большей ступени главного запорного органа и сообщения внутренних полостей с камерой командного давления, устройство содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы, внутри которой соосно наружной поверхности сформированы торцовые направляющие расточки, между которыми образована перегородка со сквозным отверстием, с одной стороны перегородки размещены беззазорно связанные между собой подпружиненные плунжер и шток сервопривода с возможностью в режиме управления ограниченного возвратно-поступательного перемещения, с другой стороны размещен вспомогательный запорный орган, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом и цилиндрической направляющей частью с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью, причем указанный участок снабжен осевым хвостовиком цилиндрической формы, соосно выведенным в зону центрального отводного канала рабочей среды главного запорного органа, при этом вспомогательный запорный орган установлен в расточке гильзы с гарантированным кольцевым зазором и с возможностью одновременного контакта периферийной поверхности направляющей части, конической уплотняющей поверхности и открытого торца двухстороннего уступа с соответствующими поверхностями главного запорного органа и сферической торцовой поверхностью штока сервопривода, причем осевой хвостовик запорного органа сориентирован в центральном канале главного запорного органа с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, кроме того, направляющие расточки гильзы снабжены кольцевыми проточками с прямоугольной формой сечения, выполненными на участках, прилегающих к открытым торцам, а узел соединения устройства управления вспомогательным запорным органом выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец, установленных с гарантированным радиальным натягом в упомянутых проточках с возможностью ограничения осевых перемещений внутренних составляющих элементов устройства, согласно изобретению рабочие уплотняющие поверхности седел корпуса и главного запорного органа выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов, причем каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса, коаксиально расположенного относительно соответствующей направляющей расточки, обращенного меньшим основанием в сторону выходного канала, при этом угол усеченного конуса седла и соответствующей конической части запорного органа выполнены с равными значениями в диапазоне от 45 до 52°, а отношение высоты усеченного конуса седла к диаметру его выходного канала выбрано в соответствии с соотношением:

Нук/Dвк=0,06…0,1,

где

Нук - высота усеченного конуса седла, мм,

Dвк - диаметр выходного канала седла, мм,

согласно изобретению диаметры сопряжении главного запорного органа с неподвижно закрепленным направляющим цилиндром и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением:

Dрц/Dск=1,16…1,22,

где

Dрц - уплотнительный диаметр внутренней расточки неподвижно закрепленного направляющего цилиндра, мм,

Dск - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм,

согласно изобретению внешнее уплотнение установочной поверхности главного запорного органа образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку, при этом манжетное уплотнение выполнено в виде размещенного в канавке с предварительным натягом, упругого резинового круглого кольца и манжеты-обечайки из полимерного антифрикционного материала, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра и упругим резиновым кольцом, при этом за исходный наружный диаметр обечайки выбран диаметр внутренней расточки направляющего цилиндра.

Предложенное техническое решение обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающими достижение поставленной цели - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных показателей запорного клапана. Отличительной особенностью предлагаемого клапана является то, что его основные составляющие части - взаимодействующие между собой автоматические устройства управления главным и вспомогательным запорными органами вместе с входным звеном управления сервопривода - конструктивно и функционально объединены в единый модульный блок с горизонтально ориентированными фланцами подвода и отвода рабочей среды, который отличается более высокой технологичностью, возможностью легкой встройки непосредственно в линию магистральной системы и автономной отработки технических характеристик.

Перевод работы запорного клапана входного блока на клапанную систему распределения и отсечку рабочей среды значительно повышает эффективность работы этой системы и обеспечивает надежное и практически мгновенное срабатывание клапана из-за нулевых перекрытий проходных окон с сохранением высокой степени герметичности и минимально допустимых перетоков в режиме закрытия за счет сведения контактных уплотняемых поверхностей к минимальным значениям.

Благодаря указанной особенности повышается чувствительность и быстродействие клапана и создаются реальные возможности для его использования и применения в гидропневмосистемах с автоматическим управлением в условиях воздействия высоких температур и перепадов давлений.

Образование в главном запорном органе наружного центрирующего выступа со стороны расположения уплотняющей запорной части с возможностью постоянного контакта с направляющей расточкой корпуса обеспечивает лучшую установку по седлу и позволяет повысить эффективность уплотнения запорной части и исключить вероятность возникновения пневмоударов, автоколебаний и вибраций клапана при прохождении рабочей среды, а образование гарантированного кольцевого зазора по наружной поверхности двухстороннего уступа вспомогательного запорного органа обеспечивает его стабильное положение и плотный контакт с уплотняющей поверхностью седла главного запорного органа.

Конструктивная и технологическая простота исполнения главного запорного органа с возможностью максимального «спрямления» траектории проводимой рабочей среды позволило решить задачу увеличения пропускной способности клапана без изменения его габаритно-массовых характеристик.

Использование в качестве внешнего уплотнения главного запорного органа рационального сочетания упругого резинового кольца и облегающей его манжеты-обечайки из полимерного антифрикционного материала, например из фторопласта, позволяет минимизировать величину трения перемещения запорного органа и повысить ресурс работы клапана в целом.

Цилиндрический хвостовик вспомогательного запорного органа, соосно выведенного в зону центрального отводного канала главного запорного органа, обеспечивает выравнивание окружной неравномерности потока и снижение пульсаций при высоких скоростях истечения газовой среды.

В целом предлагаемое техническое решение обусловлено необходимостью обеспечения компактности размещения заявляемого клапана в магистральных газовых линиях или системах и удобства подсоединения к нему соответствующих трубопроводов питания.

Заявляемое техническое решение обладает преимуществом по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающими достижение поставленной задачи - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных качеств запорного магистрального клапана, выполненного в варианте модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показан общий вид, разрез запорного магистрального клапана модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур с двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 22 и 23 управления главным и вспомогательным запорными органами. Сигнал управления на шток 9 сервопривода, управляющего вспомогательным запорным органом 6, отсутствует.

- на фиг.2 показано место А на фиг.1 - конструктивное исполнение седла 8 главного запорного органа 5.

- на фиг.3 показано место Б на фиг.1 - конструктивное исполнение внешнего уплотнительного устройства 29 главного запорного органа 5.

- на фиг.4 показано место В на фиг.1, разрез автоматического устройства 23 управления вспомогательным запорным органом 6.

- на фиг.5 показан общий вид, разрез запорного магистрального клапана модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур с двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 22 и 23 управления главным и вспомогательным запорными органами. Подан сигнал на управление вспомогательным запорным органом через шток 9 сервопривода.

Клапан запорный магистральный модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур (фиг.1) содержит корпус 1 с присоединительными фланцами подвода 2 и отвода 3, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой 4 и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами 5 и 6, причем соосно с корпусом 1 закреплен направляющий цилиндр 7 для первого главного запорного органа 5, расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющего цилиндра 7 и взаимодействия с седлом 8 (фиг.2), а второй - вспомогательный запорный орган 6, с уменьшенными геометрическими размерами по сравнению с первым запорным органом 5, беззазорно состыкован со штоком 9 сервопривода. Присоединительные фланцы 2 и 3 с крепежными отверстиями 10 и уплотнительными торцовыми элементами 11 выполнены за одно целое в виде единой детали с корпусом 1, а разъемы 12 и 13 фланцев 2 и 3 расположены по поверхности, проходящей через центры отверстий входа 14 и, соответственно, выхода 15. Центральная вертикально расположенная расточка 4 корпуса 1 выполнена многоступенчатой.

На участке средней ступени сформированы основное седло 8 (фиг.2) и две кольцевые цилиндрические проточки 16 и 17, образующие при взаимодействии с главным запорным органом 5 замкнутые кольцевые полости входа 18 и выхода 19. На участке меньшей ступени центральной расточки 4 образована глухая направляющая цилиндрическая расточка 20, формирующая при взаимодействии с главным запорным органом 5 разгрузочную полость 21. Запорный магистральный клапан образован в виде соосно размещенных в центральной многоступенчатой расточке 4 корпуса 1 и направляющем цилиндре 7 двух гидравлически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления: 22 - главным запорным органом 5 и 23 - вспомогательным запорным органом 6. Между устройствами управления 22 и 23 размещена общая камера командного давления 24, сообщенная через дроссельные отверстия 25 с источником управляющего давления через кольцевую полость входа 18 и входное отверстие 14.

Устройство управления 22 главным запорным органом 5 состоит из корпуса 1 с основным седлом 8 (фиг.2) с кольцевыми полостями входа 18 и выхода 19, разделяющего эти полости главного запорного органа 5 с конической уплотняющей частью 26, и соосно закрепленного с корпусом 1 направляющего цилиндра 7, при этом главный запорный орган 5 подпружинен относительно опорного торца 27 направляющего цилиндра 7 и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой проточкой нагнетания 28 и уплотнением 29 (фиг.3) на внешней установочной поверхности большей ступени 30, с конической запорной частью 26 - на средней ступени 31 и с осевым наружным центрирующим выступом, образующим меньшую ступень 32. Внутри главного запорного органа 5 образована сквозная многоступенчатая расточка 33 с седлом 34 (фиг.4), образованным в центральном канале 35 меньшей ступени, на поверхности направляющей расточки 36 средней ступени, на участке перехода к меньшей ступени сформирована кольцевая коллекторная канавка 37, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом 6 камеру командного давления 24 и соединение ее с наружной кольцевой проточкой нагнетания 28 (фиг.1) через радиально направленные дросселирующие каналы 25. В теле центрирующего выступа 32 главного запорного органа 5 на участке расположения кольцевой полости выхода 19 выполнена диаметрально расположенная пара радиально ориентированных проходных отверстий 38 и 39 с возможностью постоянного сообщения между собой кольцевой полости выхода 19, кольцевой разгрузочной полости 21 и центрального канала 35 отвода рабочей среды от вспомогательного запорного органа 6. Устройство 23 (фиг.4) управления вспомогательным запорным органом 6 образовано в виде самостоятельной сборочной единицы с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри охватывающей направляющей расточки большей ступени 33 главного запорного органа 5. Устройство 23 (фиг.4) содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы 40, внутри которой сформированы торцовые соосно расположенные расточки 41 и 42, между которыми образована перегородка 43 со сквозным отверстием 44.

В расточке 41 размещены беззазорно связанные между собой подпружиненный плунжер 45 и шток 9 сервопривода с возможностью осевого перемещения. В расточке 42 размещен вспомогательный запорный орган 6, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом 46 и цилиндрической направляющей частью 47 с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками 48 и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью 49, который снабжен осевым хвостовиком 50 цилиндрической формы, выведенным в зону центрального отводного канала 35 главного запорного органа 5. Вспомогательный запорный орган 6 установлен в расточке 42 гильзы 40 с гарантированным кольцевым зазором 51 и с возможностью одновременного контакта направляющей части 47, конического участка 49 и открытого торца 52 двухстороннего уступа 46 с соответствующими поверхностями главного запорного органа 5 и сферической торцовой поверхностью 53 штока 9 сервопривода. Осевой хвостовик 50 запорного органа 6 соосно сориентирован в центральном канале 35 главного запорного органа с гарантированным кольцевым зазором 54.

Направляющие расточки 41 и 42 гильзы 40 снабжены кольцевыми проточками 55 и 56, а узел соединения устройства 23 управления вспомогательным запорным органом 6 выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец 57, установленных с гарантированным радиальным натягом в проточках 55 и 56 с возможностью ограничения осевых перемещений взаимосвязанных между собой внутренних составляющих элементов - вспомогательного запорного органа 6, плунжера 45 и штока 9 сервопривода.

Рабочие уплотняющие поверхности седла 8 (фиг.2) корпуса 1 и седла 34 (фиг.4) главного запорного органа 5 (фиг.1) выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов 5 и 6 соответственно. Каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса.

Внешнее уплотнение 29 (фиг.3) установочной поверхности главного запорного органа 5 образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку 58. Манжетное уплотнение состоит из упругого резинового круглого кольца 59 и манжеты-обечайки 60 из полимерного антифрикционного материала, например из фторопласта, имеющей в радиальном сечении П-образную форму, установленной в канавке 58 с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями 61 и 62 с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра 7 и упругим резиновым кольцом 59. Внутренние полости клапана, находящиеся под давлением, герметизируются относительно окружающей среды соответствующими резиновыми кольцами и прокладками.

Клапан запорный магистральный работает следующим образом.

В режиме исходного рабочего состояния. К клапану в отверстие входа 14 подведено номинальное рабочее давление от источника магистральной газовой системы. Сигнал управления на штоке 9 сервопривода отсутствует (фиг.1).

Рабочее давление через входное отверстие 14, кольцевую полость входа 18 корпуса 1 и дроссельные отверстия 25 главного запорного органа 5 поступает в камеру командного давления 24, откуда через образованные лыски 48 (фиг.4) и осевые отверстия во вспомогательном запорном органе 6 проходит во внутренние полости устройств управления 22 и 23 главного и вспомогательного запорных органов. Таким образом, давление рабочей среды во внутренних полостях устройств управления 22 и 23 равно давлению входа. В связи с тем, что площадь направляющей и уплотненной части 30 главного запорного органа 5 выполнена больше площади седла 8 (фиг.2) корпуса 1, закрываемой главным запорным органом 5, последний перемещается в сторону расположения выходного отверстия 15 и закрывает седло 8 с силой, пропорциональной разности вышеуказанных площадей, исключая переток рабочей среды под давлением в кольцевую полость выхода 19.

Одновременно вспомогательный запорный орган 6 рабочим давлением прижимается к седлу 34 (фиг.4) главного запорного органа 5, исключая переток рабочей среды под давлением через центральный отводной канал 35. Главный 5 и вспомогательный 6 запорные органы дополнительно прижимаются к своим седлам пружинами сжатия, установленными во внутренних полостях устройств управления 22 и 23.

В режиме прокачки через клапан рабочей среды под давлением. К клапану в отверстие входа 14 подведено номинальное рабочее давление от источника магистральной газовой системы. На шток 9 сервопривода подан сигнал управления в виде ограниченного осевого перемещения в верхнее положение (фиг.5).

При подаче сигнала управления в виде ограниченного осевого перемещения штока 9 в верхнее положение преодолевается усилие предварительно сжатой пружины, опертой в опорный торец 27 неподвижного элемента направляющего цилиндра 7. В этом случае синхронно штоку 9 в том же направлении перемещается цилиндрическая гильза 40 устройства управления 23 вместе с вспомогательным запорным органом 6, который отходит от седла 34 главного запорного органа 5, при этом внутренняя полость над запорным органом 5 соединяется через центральный канал 35 и проходные отверстия 38 и 39 с кольцевой полостью выхода 19.

Благодаря дроссельным отверстиям 25, проходные сечения которых могут быть выбраны достаточно малыми, происходит резкое падение давления во внутренней полости главного запорного органа 5, что вызывает его подъем на рабочий ход из-за возникновения выталкивающей силы от действующего в кольцевой полости входа 18 давления рабочей среды.

Основной поток этой среды под давлением через седло 8 и среднюю расточку корпуса 1 направляется в отверстие 15 выхода рабочей среды. Для закрытия клапана управляющий сигнал со штока 9 сервопривода снимается, при этом запорные органы 5 и 6 возвращаются в исходное закрытое положение, прекращая движение потока рабочей среды через клапан. Таким образом, осуществляется двухступенчатый режим работы запорного клапана.

Заявленная совокупность существенных конструктивных признаков предлагаемого изобретения обуславливает получение технического результата - создание перспективного ряда запорных магистральных клапанов модульного исполнения для встроенного монтажа, отличающихся эксплуатационной надежностью, отсутствием вибраций и компактностью конструкции - все элементы просты и технологичны в исполнении и, при необходимости, могут быть легко и быстро заменены.

Клапаны имеют более высокие расходные характеристики и обеспечивают возможность удобного подсоединения и легкой встройки непосредственно в линию магистральной системы и проведения автономной отработки технических характеристик. Повышена работоспособность и герметичность запорных органов клапана в условиях воздействия высоких температур и давлений рабочей среды и, кроме того, открывается возможность широкого применения клапанов в различных пневмогидравлических системах автоматики.

Изобретение относится к области гидропневмоавтоматики, в частности к запорно-регулирующим устройствам, и предназначено для регулирования и перекрытия потоков рабочей среды в трубопроводных технологических линиях или магистралях, транспортирующих преимущественно газообразные среды с высокими давлением и температурой, в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Клапан содержит корпус с присоединительными фланцами, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами. Второй вспомогательный запорный орган выполнен с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с первым запорным органом и беззазорно состыкован со штоком сервопривода. Направляющий цилиндр второго запорного органа расположен соосно направляющему цилиндру главного запорного органа, закрепленного соосно с корпусом. Присоединительные фланцы запорного клапана с крепежными отверстиями и уплотнительными торцовыми элементами выполнены за одно целое в виде единой детали с корпусом. Разъемы фланцев расположены по поверхности, проходящей через центры отверстий входа и, соответственно, выхода рабочей среды. Центральная расточка корпуса выполнена многоступенчатой с образованием замкнутых кольцевых полостей входа и выхода рабочего тела и кольцевой разгрузочной полости. Клапан с главным и вспомогательным запорными органами вместе со штоком сервопривода образован в виде единого блока-модуля с возможностью встраивания непосредственно в линию магистральной системы и сформирован в виде соосно размещенных в центральной многоступенчатой расточке корпуса и направляющем цилиндре двух гидравлически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления главным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло» с общей камерой командного давления. Последняя размещена между указанными устройствами с возможностью сообщения ее через дроссель с источником управляющего давления. Изобретение направлено на повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных качеств клапана. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Клапан запорный магистральный модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур, содержащий корпус с присоединительными фланцами, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами, причем соосно с корпусом закреплен направляющий цилиндр для первого - главного запорного органа, расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющего цилиндра и взаимодействия с седлом, а второй - вспомогательный запорный орган выполнен с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с первым запорным органом и беззазорно состыкован со штоком сервопривода, при этом направляющий цилиндр второго запорного органа расположен соосно направляющему цилиндру главного запорного органа, отличающийся тем, что присоединительные фланцы запорного клапана с крепежными отверстиями и уплотнительными торцевыми элементами выполнены за одно целое в виде единой детали с корпусом, а разъемы фланцев расположены по поверхности, проходящей через центры отверстий входа и соответственно выхода рабочей среды, при этом центральная вертикально расположенная расточка корпуса выполнена многоступенчатой с формированием на участке средней ступени основного седла и двух кольцевых цилиндрических проточек, образующих при взаимодействии с главным запорным органом замкнутые кольцевые полости входа и выхода рабочего тела, а на участке меньшей ступени - глухой направляющей цилиндрической расточки, формирующей при взаимодействии с главным запорным органом кольцевую разгрузочную полость, ограниченную днищем глухой расточки, причем корпус конструктивно и функционально выполнен по симметричной горизонтально ориентированной схеме расположения фланцевых элементов, включая боковые радиальные каналы, напрямую соединяющие кольцевые проточки входа и выхода центральной расточки корпуса с соответствующими центральными отверстиями присоединительных фланцев, при этом запорный магистральный клапан, включающий в себя главный и вспомогательный запорные органы вместе с состыкованным штоком сервопривода, образован в виде единого блока-модуля с возможностью встраивания непосредственно в линию магистральной системы и автономной отработки технических характеристик и сформирован в виде соосно размещенных в центральной многоступенчатой расточке корпуса и направляющем цилиндре двух гидравлически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления главным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло», с общей камерой командного давления, размещенной между указанными устройствами с возможностью сообщения ее через дроссель с источником поступающего давления, устройство управления главным запорным органом состоит из корпуса с основным седлом, с кольцевыми полостями входа и выхода, разделяющего эти полости главного запорного органа с конической уплотняющей частью, и соосно закрепленного с корпусом направляющего цилиндра, при этом главный запорный орган подпружинен относительно опорного торца направляющего цилиндра и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой проточкой нагнетания и уплотнением на внешней установочной поверхности большей ступени, с конической запорной частью на средней ступени, с осевым наружным центрирующим выступом, образующим меньшую ступень со стороны конической уплотняющей части и с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой, с седлом, образованным в центральном канале меньшей ступени, на поверхности направляющей расточки средней ступени на участке перехода к меньшей ступени сформирована кольцевая коллекторная канавка, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом камеру командного давления и соединение ее с наружной кольцевой проточкой нагнетания через радиально направленные дросселирующие каналы, причем главный запорный орган установлен с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения в направляющих расточках неподвижного цилиндра и корпуса и плотного контакта и взаимодействия конической запорной части с седлом входной кольцевой проточки корпуса, при этом в теле центрирующего выступа главного запорного органа оппозитно кольцевой проточке выхода рабочей среды выполнена диаметрально расположенная пара радиально ориентированных проходных отверстий с возможностью постоянного сообщения между собой упомянутой кольцевой проточки, кольцевой разгрузочной полости и центрального канала отвода рабочей среды от вспомогательного запорного органа, устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно образовано в виде самостоятельной сборочной единицы с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри охватывающей направляющей расточки большей ступени главного запорного органа и сообщения внутренних полостей с камерой командного давления, устройство содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы, внутри которой соосно наружной поверхности сформированы торцевые направляющие расточки, между которыми образована перегородка со сквозным отверстием, с одной стороны перегородки размещены беззазорно связанные между собой подпружиненные плунжер и шток сервопривода с возможностью в режиме управления ограниченного возвратно-поступательного перемещения, с другой стороны размещен вспомогательный запорный орган, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом и цилиндрической направляющей частью с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью, причем указанный участок снабжен осевым хвостовиком цилиндрической формы, соосно выведенным в зону центрального отводного канала рабочей среды главного запорного органа, при этом вспомогательный запорный орган установлен в расточке гильзы с гарантированным кольцевым зазором и с возможностью одновременного контакта периферийной поверхности направляющей части, конической уплотняющей поверхности и открытого торца двухстороннего уступа с соответствующими поверхностями главного запорного органа и сферической торцевой поверхностью штока сервопривода, причем осевой хвостовик запорного органа сориентирован в центральном канале главного запорного органа с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, кроме того, направляющие расточки гильзы снабжены кольцевыми проточками с прямоугольной формой сечения, выполненными на участках, прилегающих к открытым торцам, а узел соединения устройства управления вспомогательным запорным органом выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец, установленных с гарантированным радиальным натягом в упомянутых проточках с возможностью ограничения осевых перемещений внутренних составляющих элементов устройства.

2. Клапан запорный магистральный по п.1, отличающийся тем, что рабочие уплотняющие поверхности седел корпуса и главного запорного органа выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов, причем каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса, коаксиально расположенного относительно соответствующей направляющей расточки, обращенного меньшим основанием в сторону выходного канала, при этом угол усеченного конуса седла и угол соответствующей конической части запорного органа выполнены с равными значениями в диапазоне от 45 до 52°, а отношение высоты усеченного конуса седла к диаметру его выходного канала выбрано в соответствии с соотношением:
Нук/Dвк=0,06…0,1,
где Нук - высота усеченного конуса седла, мм;
Dвк - диаметр выходного канала седла, мм.

3. Клапан запорный магистральный по п.1, отличающийся тем, что диаметры сопряжений главного запорного органа с неподвижно закрепленным направляющим цилиндром и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением:
Dрц/Dск=1,16…1,22,
где Dрц - уплотнительный диаметр внутренней расточки неподвижно закрепленного направляющего цилиндра, мм;
Dск - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм.

4. Клапан запорный магистральный по п.1, отличающийся тем, что внешнее уплотнение установочной поверхности главного запорного органа образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку, при этом манжетное уплотнение выполнено в виде размещенного в канавке с предварительным натягом упругого резинового круглого кольца и манжеты-обечайки из полимерного антифрикционного материала, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра и упругим резиновым кольцом, при этом за исходный наружный диаметр обечайки выбран диаметр внутренней расточки направляющего цилиндра.