СТВОРЧАТЫЙ КЛАПАН С ВРАЩАТЕЛЬНЫМ ПРИВОДОМ И СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ ЕГО В ДЕЙСТВИЕ Российский патент 2014 года по МПК F16K1/18 F16K1/42 F16K31/53 

Область техники

Настоящее изобретение относится к створчатым (откидным) клапанам с вращательным приводом и способу приведения в действие створки такого клапана

Уровень техники

Клапаны, такие как регулировочные клапаны, служащие для предотвращения поглощения бурового раствора, предохранительные клапаны, запорные клапаны и т.д., очень хорошо известны в промышленных отраслях, связанных с сооружением скважин, в частности в нефтегазодобывающей промышленности. Обычно эти клапаны (в том числе, без ограничений, предохранительные клапаны) содержат створку и управляющую трубу, связанные функционально и размещенные в корпусе. Створка отводится от седла клапана посредством выдвигания по ней управляющей трубы. Хотя предохранительные клапаны традиционной конструкции являются повсеместно распространенными и хорошо выполняют свои функции, их изготовление сопряжено со значительными затратами на материалы, механическую обработку и т.д. Снижение этих затрат при сохранении функциональности створчатых клапанов имеет большое значение для отрасли.

Раскрытие изобретения

Предлагаемый створчатый клапан с вращательным приводом содержит створку с неплоской поверхностью взаимодействия и конгруэнтный клапанный элемент (компонент клапана), причем эта поверхность взаимодействия и этот конгруэнтный элемент могут выборочно располагаться друг относительно друга с совмещением и без совмещения, и в случае их расположения без совмещения створка открыта, по меньшей мере частично.

Створчатый клапан с вращательным приводом содержит створку, синусоидальную кромку, проходящую по внешней границе створки, и конгруэнтную синусоидальную кромку, расположенную на другом клапанном элементе, причем этот клапанный элемент имеет возможность поворота, при котором конгруэнтная синусоидальная кромка смещается относительно синусоидальной кромки створки (располагается без совмещения), в результате чего створка выходит из положения закрытия.

Способ приведения в действие створки клапана включает поворот одного клапанного элемента относительного другого, в результате которого происходит, в зависимости от исходного положения, выход из положения совмещения или совмещение неплоских поверхностей на створке и другом клапанном элементе и переход створки в другое положение в соответствии с этим поворотом.

Краткое описание чертежей

На чертежах, где схожие элементы имеют одинаковые ссылочные обозначения, представлено:

фиг.1 - вид в частичном разрезе створчатого клапана с вращательным приводом, находящегося в закрытом положении и соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,

фиг.2 - вид клапана, показанного на фиг.1, в частично открытом положении,

фиг.3 - вид клапана, показанного на фиг.1, в полностью открытом положении,

фиг.4 - перспективное изображение клапана с шарниром,

фиг.5 - альтернативный вариант осуществления створчатого клапана с вращательным приводом, показанного в частично открытом положении,

фиг.6 - вид клапана, показанного на фиг.5, в полностью открытом положении,

фиг.7 - перспективное изображение створчатого клапана с вращательным приводом, находящегося в полностью открытом положении и соответствующего еще одному альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.8 - вид в поперечном разрезе клапана, показанного на фиг.7 и находящегося в частично открытом положении,

фиг.9 - еще одно изображение в поперечном разрезе клапана, показанного на фиг.7 и находящегося в полностью открытом положении,

фиг.10 - вид в поперечном разрезе створчатого клапана с вращательным приводом, находящегося в частично открытом положении и соответствующего другому альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.11 - вид части клапана, показанного на фиг.10, с компонентами в положении, соответствующем полному открытию клапана.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен один из вариантов осуществления створчатого клапана 10 с вращательным приводом, находящегося в полностью закрытом положении, когда створка 12 находится в контакте с седлом 14. Створка 12 и седло 14 имеют синусоидальные кромки соответственно 16 и 18. Эти кромки проходят по внешним границам створки и седла и являются в целом конгруэнтными, а в одном варианте осуществления - взаимодополняющими по форме. При совмещении створки и седла створка может находиться по отношению к седлу в закрытом положении, причем в некоторых вариантах осуществления - с уплотнением. Поворот седла или створки приводит к их смещению друг относительно друга и, следовательно, переходу створки 12 в частично открытое положение. Степень открытия створки отчасти зависит от углов наклона синусоидальных кромок 16 и 18. Углы, достигающие 45 градусов, обеспечивают наибольшее смещение створки и, следовательно, наибольшее изменение угла относительно седла 14. Максимальное перемещение створки вследствие контакта между кромками 16 и 18 достигается, когда наивысшая точка синусоидальной кромки 16 на створке 12 совмещена с наивысшей точкой синусоидальной кромки 18 на седле 14.

Выход створки и седла из положения совмещения приводит к недостаточно плотной посадке, и это может быть использовано практически для перевода створки в положение открытия, что является целью настоящего изобретения. Верхние точки синусоидальных кромок 16 и 18 уже не совмещаются друг с другом, что приводит к повороту створки 12 вокруг шарнира 20 (см. фиг.4).

В варианте осуществления, изображенном на фиг.1-4, клапан 10 показан, с целью получения ясного представления о нем, в закрытом, частично открытом и полностью открытом положениях. В этом варианте осуществления основными конструктивными элементами являются синусоидальные кромки 16 и 18, спиральная канавка 22 и ролик 24 в ней, а также геликоидальная цилиндрическая зубчатая передача 26 с соответствующим приводом 28.

Работа устройства последовательно описывается ниже со ссылками на фиг.1-3. На фиг.1 створка 12 закрыта, а седло 14 находится относительно корпуса и створки в положении, обеспечивающем плотный контакт створки и седла. При запуске привода 28, который может представлять собой электрический двигатель (представленный на фиг.1 электрическими соединениями 30 и 32), гидравлический двигатель (представленный на фиг.2 впуском 34 и выпуском 36 гидравлической жидкости) и т.д. и который находится в функциональной связи с зубчатой передачей 26, седло 14 совершает поворот вокруг своей оси, в результате чего синусоидальная кромка 18 седла 14 выходит из положения совмещения с синусоидальной кромкой 16 створки 12. Это приводит к смещению створки 12 в осевом направлении от седла 14. Из-за наличия шарнирного соединения створки 12 с корпусом 38, внутри которого совершает поворот седло 14, створка будет поворачиваться вокруг шарнира 20 под действием приложенной к ней осевой нагрузки. Степень поворота створки 12 зависит, как упоминалось выше, от угла синусоидальных кромок, но часто не соответствует полному открытию из-за ограничений, накладываемых на возможные углы наклона. Эти ограничения могут быть связаны только с геометрией или обусловлены увеличением трения при увеличении угла. Для эффективного достижения полностью открытого положения, показанного на фиг.3, седло 14 совершает, одновременно с поворотом, перемещение в осевом направлении. Это происходит из-за того, что ролик 24 катится по спиральной канавке 22 по мере того, как привод 28 вынуждает седло 14 совершить поворот. Цилиндрическая зубчатая передача 26 имеет геликоидальную конфигурацию с целью обеспечения сохранения зацепления с приводом 28 по мере изменения положения седла 14 в осевом направлении. Поскольку седло 14 перемещается в направлении створки 12, на последнюю оказывается воздействие в точке контакта 40 между седлом 14 и створкой 12 вплоть до ее полного открытия (фиг.3).

В этом варианте осуществления створка закрывается посредством возвратной пружины 42, показанной на фиг.4.

На фиг.5 и 6 показан альтернативный вариант осуществления, в котором одновременно приводятся в действие вращательным приводом два противолежащих створчатых клапана. Из приведенного выше описания становится ясно, что этот вариант осуществления включает компоненты, представляющие собой зеркальное отражение компонентов, описанных в случае первого варианта осуществления. Единственный привод 28 приводит в действие два устройства, представляющих собой зеркальное отражение друг друга и функционирующих идентичным образом, но в противоположных направлениях. Для ясности каждому из компонентов "зеркально отраженного" участка присвоен ссылочный номер, соответствующий номеру, использованному в первом описанном варианте осуществления, но с добавлением спереди цифры ''1''.

На фиг.7-9 показан еще один вариант осуществления створчатого клапана с вращательным приводом. На фиг.7 приведено перспективное изображение открытого клапана, дающее общее представление о конструкции. Клапан 210 включает створку 212 и седло 214. В этом варианте осуществления седло отличается от описанного выше, а конструкция включает управляющую муфту 250 с возможностью поворота, обеспечивающего перемещение створки 212 до полного открытия. Створка по-прежнему приводится в движение в результате поворота седла 214, но для перемещения створки в полностью открытое положение добавлена муфта. Кроме того, муфта 250 управляет седлом 214, связанным с муфтой посредством пальцев 251. В одном варианте осуществления муфта 250 содержит кольцевое зубчатое колесо (или по меньшей мере его часть) 252, расположенное по окружности муфты 250. Кольцевое зубчатое колесо 252 используется для обеспечения поворота муфты 250, вызывающего открытие или закрытие створки 212. Для приведения кольцевого зубчатого колеса в движение может использоваться любой подходящий привод, например привод 28, представленный в описанных выше вариантах осуществления. В муфте 250 выполнен паз, или вырез, 254 с угловым профилем. В показанном на чертеже варианте осуществления представлен паз, полностью проходящий по наружной поверхности муфты 250, но этот паз может быть также выполнен, в случае необходимости, в виде выемки во внутренней поверхности муфты 250. В любом случае паз 254 имеет в одном варианте осуществления сложную форму (спиральную и наклонную) относительно осевого направления муфты, как это показано на фиг.9. Ссылочными номерами 256 и 258 обозначены отдельные стенки паза 254. На фиг.9 виден угол, образованный стенками. Углы, показанные на фиг.9, являются сравнительно большими, тогда как угол между теми же стенками, показанный на фиг.8, существенно меньше. Это обусловлено тем, что стенки в данной конфигурации представляют собой поверхность, на которой к кулачку (в качестве которого может использоваться показанный на чертеже кулачковый ролик 260) может прикладываться, перпендикулярно к стенке, нагрузка во время перемещения створки 212. Положение кулачкового ролика относительно створки 212 наглядно показано на фиг.8. Кулачковый ролик 260 опирается на выступ 262 створки 212, расположенный - относительно шарнира 220 - противоположно остальной части створки. Следовательно, перемещение выступа 262 в одном направлении вызовет перемещение створки 212 в противоположном направлении. Воздействие на кулачковый ролик 260 с целью его перемещения из центральной области паза 254 в любой из концов последнего приводит к перемещению ролика по пазу с угловым профилем, в результате чего створка 212 переводится в открытое положение. Во время перемещения створки 212 вокруг шарнира 220 (см. последовательно фиг.8 и 9) кулачковый ролик 260 движется с существенным изменением ориентации. Конфигурация паза 254 обеспечивает восприятие этого движения кулачкового ролика 260 благодаря расположению стенок 256 и 258 перпендикулярно к ролику, чем достигается эффективное механическое перемещение. Изменение направления движения муфты 250 на обратное приводит к закрытию створки 212, поскольку кулачковый ролик 260 переводится обратно в центральную область 264 паза 254.

На фиг.10 и 11 показан другой альтернативный вариант осуществления створчатого клапана 310 с вращательным приводом. В этом варианте осуществления исполнение створки 312 схоже с исполнением в описанных выше вариантах осуществления и включает синусоидальную кромку 316. В пригнанном и закрытом положении створки кромка 316 совмещается (в некоторых вариантах осуществления - с уплотнением) с кромкой 318, выполненной на конце управляющей трубы 370, причем кромки 316 и 318 являются конгруэнтными или взаимодополняющими по форме. Управляющая труба 370 выполнена с возможностью вращательного и осевого перемещения внутри корпуса 372 и может перемещаться в положение закрытия клапана посредством смещающего элемента 374, например винтовой цилиндрической пружины, показанной на чертеже. Управляющая труба 370 содержит средство крепления 376 смещающего элемента, например фланец, показанный на чертеже. В закрытом положении клапана вращательное движение трубы 370 ограничивается поворотом на несколько градусов, что обеспечивается канавкой 378 в ограничительном стакане 380. Канавка 378 проходит по ограничительному стакану 380 сначала на несколько градусов в боковом направлении, а затем вдоль оси стакана 380. Благодаря этому управляющая труба 370 сначала совершает поворот, а затем выдвигается в продольном направлении в процессе приведения во вращательное движение, описанном ниже. Движение управляющей трубы 370 начинается с открытия створки 312 вследствие выхода синусоидальных кромок 316 и 318 из положения совмещения, как это имеет место в описанных выше вариантах осуществления, после чего створка может быть открыта полностью в результате выдвигания управляющей трубы сквозь седло 314, что, кроме прочего, обеспечивает защиту створки, находящейся позади управляющей трубы в полностью открытом положении. Выдвигание управляющей трубы 370 происходит лишь в том случае, если ограничительный стакан 380 допускает это движение. Для этого требуется, чтобы прилив 382 на управляющей трубе, находящийся в зацеплении с канавкой 378, переместился при повороте достаточно далеко, чтобы войти в ориентированную в осевом направлении часть канавки 378.

Описанное в последнем абзаце движение может быть инициировано приводом 328, который может представлять собой, как и в описанных выше вариантах осуществления, электрический двигатель, гидравлический двигатель и т.д., находящийся в зацеплении с зубчатым колесом 352. При внимательном рассмотрении фиг.10 и 11 можно заметить взаимное концентрическое расположение с тесной связью управляющей трубы 370 и приводной трубы 384. На управляющей трубе 370 имеется спиральный профиль 386, а на приводной трубе 384 - спиральный профиль 388. Профили 386 и 388 являются конгруэнтными, а в одном варианте осуществления - взаимодополняющими по форме, и во всех случаях имеют такую конфигурацию, что вращательное движение приводной трубы 384 передается управляющей трубе 370 и вызывает перемещение последней в осевом направлении, если это перемещение допускается ограничительным стаканом 380. Движение в осевом направлении обусловлено набеганием профилей друг на друга аналогично тому, как это предусмотрено в конструкции домкрата с большим шагом ходового винта или ходовой гайки.

В начале работы (створка закрыта) осуществляется запуск привода 328, сообщающего вращательное движение приводной трубе 384. Поскольку перемещение управляющей трубы в осевом направлении ограничено канавкой 378 ограничительного стакана, движение управляющей трубы будет исключительно вращательным. Это вращательное движение приводит к выходу синусоидальных кромок 316 и 318 из положения совмещения, в результате чего происходит частичное открытие створки 312. Продолжение этого вращательного движения приводит к перемещению прилива 382 в ориентированную в осевом направлении часть канавки 378, после чего дальнейшему вращательному движению препятствует ограничительный стакан 380. В этот момент работы клапана 310 вращательное движение приводной трубы 384 преобразуется в перемещение в осевом направлении управляющей трубы 370 в результате взаимодействия профилей 386 и 388. После этого управляющая труба 370 выдвигается в осевом направлении по створке 314 на расстояние, достаточное для полного открытия и защиты створки 312. Это положение показано на фиг.11, где створка полностью открыта и располагается за управляющей трубой 370, а пружина 374 находится в состоянии сжатия. Далее, можно видеть, что осевое расстояние между фланцем 376 и зубчатым колесом 352 на фиг.11 возросло по сравнению с этим расстоянием на фиг.10. В данном варианте осуществления фаза выдвигания в осевом направлении может присутствовать или нет в зависимости от требуемой степени открытия створки. Может оказаться достаточным использовать только фазу поворота, в ходе которой управляющая труба приводится во вращение непосредственно от привода.

Хотя в настоящем описании представлен и проиллюстрирован ряд вариантов осуществления изобретения, в этих вариантах могут быть выполнены различные изменения и замены в пределах сущности и объема настоящего изобретения. В соответствии с этим следует иметь в виду, что настоящее описание носит иллюстративный характер и не накладывает никаких ограничений.

Группа изобретений относится к арматуростроению и предназначена в качестве клапанов, например предохранительных, запорных и т.д., для использования в промышленных отраслях, связанных с сооружением скважин, в частности в нефтегазодобывающей промышленности. Створчатый клапан с вращательным приводом содержит створку, синусоидальную кромку, проходящую по внешней границе створки, и конгруэнтную синусоидальную кромку, расположенную на другом клапанном элементе. Этот клапанный элемент имеет возможность поворота, при котором конгруэнтная синусоидальная кромка смещается относительно синусоидальной кромки створки, в результате чего створка выходит из положения закрытия. Имеются вариант выполнения створчатого клапана и способ приведения в действие створок таких клапанов. Группа изобретений направлена на снижение затрат на материалы и механическую обработку створчатых клапанов при сохранении их функциональности. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Створчатый клапан с вращательным приводом, содержащий: створку; синусоидальную кромку, проходящую по внешней границе створки; и конгруэнтную синусоидальную кромку, расположенную на другом клапанном элементе, причем этот клапанный элемент имеет возможность поворота, при котором конгруэнтная синусоидальная кромка смещается относительно синусоидальной кромки створки, в результате чего створка выходит из положения закрытия.

2. Створчатый клапан по п.1, в котором синусоидальная кромка створки представляет собой уплотнительную кромку створки в положении закрытия клапана.

3. Створчатый клапан по п.1, в котором конгруэнтная синусоидальная кромка представляет собой часть седла.

4. Створчатый клапан по п.3, в котором седло выполнено с возможностью поворота и выдвигания в осевом направлении относительно корпуса клапана.

5. Створчатый клапан по п.4, в котором выдвигание седла вызывает открытие створки.

6. Створчатый клапан по п.4, в котором поворот седла осуществляется посредством двигателя.

7. Створчатый клапан по п.4, в котором створка содержит выступ, простирающийся до противоположной стороны шарнира створки.

8. Створчатый клапан по п.7, в котором выступ содержит кулачковый ролик.

9. Створчатый клапан по п.7, содержащий управляющую муфту.

10. Створчатый клапан по п.9, в котором управляющая муфта содержит паз.

11. Створчатый клапан по п.10, в котором паз имеет угловой профиль стенок, обеспечивающий перпендикулярное расположение стенок и выступа друг относительно друга.

12. Створчатый клапан по п.9, в котором управляющая муфта связана с седлом с возможностью вращения.

13. Створчатый клапан по п.1, включающий две створки, каждая из которых имеет синусоидальную кромку, проходящую по ее внешней границе, и две конгруэнтные синусоидальные кромки, расположенные на других клапанных элементах, причем эти клапанные элементы имеют возможность поворота, при котором конгруэнтные синусоидальные кромки смещаются относительно синусоидальных кромок створок, в результате чего створки выходят из положения закрытия.

14. Створчатый клапан по п.1, в котором другой клапанный элемент представляет собой управляющую трубу.

15. Створчатый клапан по п.14, включающий приводную трубу, находящуюся в функциональной связи с управляющей трубой и способную сообщить последней вращательное и осевое движение.

16. Створчатый клапан по п.15, в котором обе трубы, приводная и управляющая, содержат профили, взаимодействующие друг с другом.

17. Створчатый клапан по п.14, включающий ограничительный стакан, обеспечивающий поворот управляющей трубы на заданное число градусов с одновременным ограничением ее осевого перемещения и затем ограничивающий вращение управляющей трубы с одновременным обеспечением ее осевого перемещения.

18. Створчатый клапан с вращательным приводом, содержащий:
створку с неплоской поверхностью взаимодействия;
конгруэнтный клапанный элемент;
причем поверхность взаимодействия и конгруэнтный элемент могут выборочно располагаться друг относительно друга с совмещением и без совмещения, и при их расположении без совмещения створка, по меньшей мере частично, открыта.

19. Створчатый клапан по п.18, в котором конгруэнтный элемент представляет собой седло.

20. Способ приведения в действие створки клапана, включающий:
поворот одного клапанного элемента относительного другого, в результате которого происходит выход из положения совмещения или совмещение неплоских поверхностей на створке и другом клапанном элементе соответственно, при их совмещенном или несовмещенном положениях; и
переход створки в другое положение в соответствии с этим поворотом.

21. Способ по п.20, включающий перемещение элемента в осевом направлении.

22. Способ по п.20, в котором поворот и осевое перемещение происходят одновременно.