Способ профилирования равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК F16K1/54 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к регулирующей трубопроводной арматуре, предназначенной для регулирования потока проходящей текучей среды, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.

В нефтяной и газовой промышленности широко применяются регулирующие клапаны для управления расходом, давлением и температурой потока текучей среды. По условиям автоматизации технологических процессов в трубопроводных гидросистемах наибольшее распространение получили две основные формы пропускных характеристик регулирующих клапанов - линейная (ЛПХ) и равнопроцентная (РПХ). Практическая реализация той или иной пропускной характеристики заключается в изменения площади (профилировании) регулируемого прохода потока текучей среды в регулирующем органе в соответствии с требуемой пропускной характеристикой. При этом одной из задач, возникающих при разработке регулирующей арматуры с клеточным регулирующим органом, является проблема реализации фактической равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана с минимальными отклонениями от теоретической ее зависимости. Практика показывает, что профилирование регулируемого прохода в соответствии с равнопроцентным законом, является довольно трудоемким этапом создания регулирующего органа и это вынуждает изготовителя использовать упрощающие математические приемы, которые, в конечном счете, нередко оказываются малоэффективными.

Известен способ реализации пропускной характеристики регулирующего клапана, когда непосредственной ее формой служит конструктивная характеристика, под которой понимается зависимость изменения площади проходного сечения в неподвижном элементе регулирующего органа (сепараторе) от хода подвижного элемента регулирующего органа (плунжера). Для некоторых регулирующих органов, например таких, как клеточные клапаны и шиберные задвижки, характерны практически постоянные значения коэффициента расхода. Это в свою очередь, обуславливает идентичность характера изменения пропускной и конструктивной характеристик регулирующего органа (Черноштан В.И., Благов Э.Е. Особенности профилирования регулирующих органов с требуемой пропускной характеристикой). Фактором, усугубляющим проблему обеспечения равнопроцентной характеристики, является невозможность ее полной реализации, поскольку используется два участка характеристики равнопроцентного и линейного с уменьшенным значением пропускной способности по сравнению с заявленным номинальным значением. Проблема решается подгонкой к необходимой величине пропускной способности с помощью подходящей криволинейной характеристики, естественно, отличающейся от требуемой равнопроцентной. Такие приведенные характеристики получили название модифицированных. Отсутствие критериев допустимого отклонения кривой от равнопроцентного закона ставит вопрос о правомерности такой замены.

Известен регулирующий клапан, содержащий регулирующий орган, состоящий из подвижной части в виде плунжера и неподвижной части в виде перфорированного стакана (сепаратора) с выполненными в нем радиальными круглыми отверстиями. В этой конструкции поток текучей среды, проходящей через клапан, регулируется путем перекрытия отверстий в сепараторе, перемещающимся внутри него плунжером, который изменяет суммарную площадь открытых отверстий. Максимальная пропускная способность такого клапана определяется размерами клапана и сепаратора. (Mokveld Valves B.V. Каталог фирмы «Моквелд Регулирующие клапаны» «Mocveld Valvs bv», P.O. Box 227 Моквелд Маркетинг, 2800 AE Gouda Holland, Nijverheidsstraat, стр. 3, 4, 8; Сайт Моквелд: https://mokveld.com/en/axial-control-valve продукция фирмы «Моквелд»)

Однако, вследствие того, что, количество и расположение отверстий в каждом ряду сепаратора остается постоянным, площадь регулируемого прохода в клапане при перемещении плунжера, изменяется практически линейно (или близко к линейной зависимости). Более того, при указанном взаимном расположении отверстий в сепараторе, для известных конструкций невозможно реализовать равнопроцентную пропускную характеристику, удовлетворяющую нормативным требованиям применяя круглые отверстия одного диаметра.

Известен регулирующий клапан, содержащий корпус, регулирующий орган, имеющий неподвижную и подвижную, выполненную с возможностью осевого перемещения вдоль продольной оси клапана, части, при этом неподвижная часть регулирующего органа выполнена в виде стакана (сепаратора) с расположенными в нем радиальными отверстиями, взаимодействующего с подвижной частью регулирующего органа (плунжера) с возможностью перекрывания проходных сечений радиальных отверстий сепаратора при его перемещении (Патент РФ №2529962 С1, МПК F16K 1/12, F16K 1/54, F16K 39/04, F16K 47/14, приоритет от 24.04.2013, опуб. 10.10.2014). Регулирование расхода текучей среды в данном клапане обеспечивается за счет изменения проходной площади круглых отверстий сепаратора при перемещении плунжера, изменяющего площадь открытых отверстий сепаратора, и характеризуется линейной формой пропускной характеристики.

Однако, в известном клапане невозможно реализовать равнопроцентную пропускную характеристику, удовлетворяющую нормативным требованиям в части отклонения действительных значений пропускной способности от расчетных, без учета взаимного расположения отверстий одного диаметра.

Известен регулирующий клапан, содержащий корпус, в котором установлен плунжер, взаимодействующий с сепаратором с выполненными в нем отверстиями в форме щелей с равнопроцентной характеристикой. Регулирование расхода текучей среды производится за счет перемещения плунжера, изменяющего площадь открытых отверстий. В данном клапане, в результате расчетов на моделях, получены пропускные характеристики клапана, после чего выполнено профилирование щелей для получения более точного совпадения пропускной характеристики с идеальной равнопроцентной пропускной характеристикой (Пасько П.И. «Исследование гидродинамики осесимметричных клеточных регулирующих клапанов для трубопроводов ТЭС и АЭС». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новочеркасск. 2008 г., стр. 7, 13, 14).

Недостатком данной конструкции является то, что не показано, каким способом получено более точное совпадение с идеальной (теоретической) равнопроцентной характеристикой и какова при этом погрешность отклонения фактической пропускной характеристики от идеальной.

Известен регулирующий клапан с равнопроцентной пропускной характеристикой, в корпусе которого установлен плунжер и сепаратор, в стенках которого вдоль продольной его оси выполнены радиальные профильные щелевые отверстия, соединенные с отверстиями, имеющими форму усеченного круга. Данная конструкция обеспечивает максимальное (не более 10%) отклонение фактической равнопроцентной характеристики от теоретической (Патент РФ №2597798 С1, МПК F16K 47/14, F16K 1/12, приоритет от 18.09.2015, опуб. 10.10.2014).

Недостатком известной конструкции клапана является технологическая сложность изготовления профильных радиальных щелевых отверстий в сепараторе.

Известен регулирующий клапан, содержащий полый корпус, внутри которого установлен регулирующий орган с возможностью осевого перемещения подвижной его части вдоль продольной оси клапана, взаимодействующей с неподвижной частью, выполненной в виде сепаратора, в стенках которого вдоль продольной оси клапана расположены радиальные профильные щелевые и круглые отверстия, обеспечивающие равнопроцентную пропускную характеристику (Моквелд. «Клапаны защиты от гидроудара (перепускные демпфирующие клапаны)». Каталог, стр. 1-4).

Однако в данном клапане имеются круглые и радиальные профильные щелевые отверстия, которые между собой не соединены, а клапан дополнительно снабжен управляющим клапаном. Требуемая пропускная характеристика основного регулирующего клапана обеспечивается за счет линейной характеристики управляющего клапана в сочетании с профильными щелевыми и круглыми радиальными отверстиями при перемещении плунжера. Таким образом, обеспечивается равнопроцентная пропускная характеристика основного клапана. Данный клапан наряду с усложнением конструкции за счет дополнительного управляющего клапана имеет те же, указанные выше, недостатки в части обеспечения наилучшего совпадения фактической пропускной способности с теоретической ее зависимостью на той части хода плунжера, где расположены круглые отверстия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ профилирования равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана, включающий получение необходимой зависимости изменения суммарного проходного сечения, образованного круглыми, не связанными между собой отверстиями в стенке сепаратора, при перемещении плунжера вдоль его оси. Зависимость получают путем набора одинаковых отверстий не более двух диаметров в соответствии с двумя участками требуемой равнопроцентной зависимости (Черноштан В.И., Благов Э.Е. Рациональное профилирования клеточных регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой).

Однако, в данном способе для обеспечения требуемой равнопроцентной зависимости изменения пропускной способности от хода плунжера, прибегают к подгонке профилируемого проходного сечения путем принудительного размещения требуемой площади, даже если это ведет к отходу от требуемой формы регулировочной характеристики, то есть к ее искажению, в результате чего происходит отклонение фактической равнопроцентной пропускной характеристики от теоретической.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции клапана является регулирующий клапан, содержащем установленный в корпусе регулирующий орган с возможностью перемещения подвижной его части в виде плунжера вдоль продольной оси клапана, взаимодействующим с неподвижной его частью в виде сепаратора, в стенках которого вдоль продольной оси клапана расположены радиальные круглые отверстия одинакового диаметра, образующие суммарное проходное сечение, при этом перфорация отверстиями сепаратора выполнена неравномерно, с уменьшением плотности отверстий по мере приближения к выходному сечению сепаратора (Патент РФ №165850 F16K 1/12, F16K 48/08, F16K 39/04, приоритет от 16.09.2015, опуб. 10.11.2016).

Однако в данной конструкции отсутствуют данные о количестве отверстий и уменьшении плотности их расположения по мере приближения к торцевому стыку сепаратора и выходного патрубка, что не позволяет получить данные о допустимом отклонении теоретического профиля проходного сечения от фактического. То есть, фактически, является неопределенным закон изменения проходного сечения, обеспечивающий получение заданной равнопроцентной пропускной характеристики и соответствие изменения проходного сечения требуемой равнопроцентной пропускной характеристике.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в создании регулирующего органа клапана, в котором за счет организации взаимного расположения одинаковых круглых отверстий обеспечивается задаваемое отклонение фактической проходной площади сепаратора от теоретической зависимости и реализуется равнопроцентная пропускная характеристика клапана.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе профилирования равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана, включающем получение изменения суммарного проходного сечения, образованного круглыми, не связанными между собой отверстиями одинакового диаметра в стенке сепаратора, при перемещении плунжера вдоль его оси, согласно изобретению, предварительно вычисляют расстояние между центрами круглых отверстий, находящихся в сечениях на образующих по внутреннему диаметру сепаратора, в пределах условного хода плунжера по формуле:

h_s=S+d,

при этом центры отверстий, кромки которых совпадают с началом условного хода плунжера на образующих, располагают между центрами отверстий на соседних образующих, кромки последних отверстий которых совмещены с концом условного хода плунжера, затем вычисляют целое количество круглых отверстий на каждой образующей по формуле:

,

и определяют максимальное количество образующих в любом сечении сепаратора по формуле:

,

затем вычисляют целое количество отверстий в пределах условного хода плунжера, размещаемых в каждом сечении по образующим сепаратора, по формуле

,

а изменение суммарного проходного сечения сепаратора F_Σ в пределах условного хода плунжера вычисляют из решения системы уравнений:

F_Σ=F_n+F₀

F₀=N₀⋅F

затем оценивают отклонение фактической проходной площади сепаратора от теоретической зависимости для создания равнопроцентной пропускной характеристики по формуле:

,

где h_s - расстояние между центрами круглых отверстий, расположенных на образующих внутреннего диаметра сепаратора, м;

S - расстояние по образующей внутреннего диаметра между соседними отверстиями, м;

d - диаметр круглых отверстий в проходном сечении сепаратора, м;

n - целое количество отверстий по образующей внутреннего диаметра сепаратора, шт.;

h_y=n⋅h_s+d - условный (максимальный) ход плунжера, м;

h_s - расстояние между центрами круглых отверстий по образующей внутреннего диаметра сепаратора, м;

N_max - максимальное количество образующих в любом сечении сепаратора, шт.;

π=3.14 - математическая постоянная, равная отношению длины окружности к ее диаметру;

Y - расстояние по хорде внутреннего диаметра между соседними отверстиями в сечении сепаратора, м;

D - внутренний диаметр сепаратора, м;

N_i - количество круглых отверстий диаметром d в каждом расчетном сечении сепаратора, шт;

i - порядковый номер текущего расчетного сечения, i изменяется от 0 до m=2⋅n-1 - суммарное количество расчетных сечений;

- относительное приращение суммарной площади круглых отверстий проходного сечения сепаратора для соседних расчетных сечений, для i1;

- относительная пропускная способность клапана в текущем расчетном сечении;

Ф₀ - относительная величина начальной пропускной способности клапана;

- отношение текущего хода плунжера к условному ходу плунжера в каждом расчетном сечении;

x_i - текущее значение хода плунжера, м;

F_Σ - суммарное проходное сечение сепаратора в пределах условного хода плунжера, м²;

F_n - суммарная площадь круглых одинаковых отверстий в пределах условного хода плунжера, м²;

F₀ - суммарная площадь круглых отверстий, соответствующая относительной начальной пропускной способности за пределами условного хода плунжера, м²;

- площадь проходного сечения круглых отверстий, м²;

N₀ - количество отверстий за пределами условного хода плунжера, соответствующее относительной начальной пропускной способности;

- относительная площадь проходного сечения.

Вычисление расстояния h_s=S+d между центрами отверстий, расположенных на образующей, для задаваемых в качестве исходных данных диаметра круглого отверстия d и минимального расстояния между отверстиями S, позволяет определить с точностью до целого числа количество круглых отверстий

в пределах условного хода плунжера h_y.

Выбор диаметра круглого отверстия определяется необходимостью получения требуемой величины пропускной способности клапана. Увеличение диаметра круглого отверстия и уменьшение расстояния между отверстиями S приводит к росту суммарного проходного сечения за счет более эффективного использования боковой поверхности сепаратора. Изменение величины расстояния между круглыми отверстиями в пределах от 0 до d и размещение центров отверстий в сечениях на образующих по внутреннему диаметру сепаратора в пределах условного хода плунжера, обеспечивает непрерывность изменения суммарного проходного сечения сепаратора в соответствии с равнопроцентным законом. При этом, выбор минимального значения расстояния между отверстиями определяется требованиями по прочности сепаратора и улучшения технологичности изготовления близко расположенных круглых отверстий.

Вычисление максимального количества образующих

в любом сечении сепаратора при заданных значениях внутреннего диаметра сепаратора D и расстоянии по хорде между центрами отверстий в одном сечении Y, необходимо для рационального использования боковой поверхности сепаратора с целью создания требуемого проходного сечения. На каждой образующей обеспечивается размещение n круглых отверстий, смещенных относительно друг друга на величину h_s/2, т.е. между центрами отверстий каждой образующей. Увеличение величины Y приводит к уменьшению проходного сечения сепаратора и, соответственно, к уменьшению пропускной способности регулирующего органа клапана. При этом, выбор величин S, Y, влияющих на минимальное расстояние между соседними отверстиями по любому направлению, позволяет обеспечить необходимые условия прочности сепаратора и улучшения технологичности изготовления близко расположенных круглых отверстий.

На основании максимального количества образующих по формуле для проектируемого регулирующего органа вычисляют целое количество круглых отверстий, размещаемое последовательно в каждом расчетном сечении.

Причем центры отверстий, кромки которых совпадают с началом условного хода плунжера на образующих, располагают между центрами отверстий на соседних образующих, кромки последних отверстий которых совмещены с концом условного хода плунжера. Таким образом, обеспечивается получение равнопроцентной пропускной характеристики с оцениваемой величиной отклонение фактического проходного сечения от теоретического его значения из-за округления количества отверстий до целых чисел, использования отверстий только одного диаметра, а также учета взаимного их расположения.

На основании решения системы уравнений:

F_Σ=F_n+F₀

F₀=N₀⋅F

вычисляют необходимые для проектирования регулирующего органа клапана величины суммарного проходного сечения F_Σ в пределах условного хода плунжера, суммарную площадь круглых отверстий, соответствующую относительной начальной пропускной способности F₀, суммарную площадь круглых одинаковых отверстий в пределах условного хода плунжера F_n и количество отверстий, соответствующее принятому значению начальной пропускной способности N₀. Полученные данные об изменении суммарного проходного сечения сепаратора используются для оценки соответствия фактического его проходного сечения теоретическому значению.

Степень соответствия полученной зависимости изменения проходного сечения требуемой равнопроцентной пропускной характеристике в пределах условного хода плунжера оценивается в процентах из выражения

.

Задавая варьируемые при проектировании регулирующего органа клапана величины d, S, h_y, Y, D, δF_i получают необходимые данные для изготовления регулирующего органа клапана с требуемой равнопроцентной характеристикой.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что, в регулирующем клапане с равнопроцентной пропускной характеристикой, содержащем установленный в корпусе регулирующий орган с возможностью перемещения подвижной его части в виде плунжера вдоль продольной оси клалана, взаимодействующим с неподвижной его частью в виде сепаратора, в стенках которого вдоль продольной оси клапана расположены радиальные круглые отверстия одинакового диаметра, образующие суммарное проходное сечение, при этом перфорация отверстиями сепаратора выполнена неравномерно, с уменьшением плотности отверстий по мере приближения к выходному сечению сепаратора, отличающийся тем, что, неравномерная перфорация сепаратора отверстиями выполнена по окружности в каждом сечении вдоль образующих по его внутреннему диаметру, при этом кромки отверстий на образующих, совпадающих с началом условного хода плунжера и соответствующих относительной начальной пропускной способности клапана, расположены в одном сечении.

Расположение круглых отверстий в каждом сечении сепаратора неравномерно по его внутреннему диаметру, как показали расчеты, но с соблюдением необходимого их количества, не влияет на форму пропускной характеристики и позволяет упростить технологию изготовления сепаратора за счет более рационального размещения отверстий.

Совмещение кромок отверстий, расположенных на образующих, с началом условного хода плунжера и расположение кромок, соответствующих относительной начальной пропускной способности клапана в том же сечении, позволяет обеспечить непрерывное изменение проходного сечения в пределах условного хода плунжера, соответствующее равнопроцентной характеристике с погрешностью не более 10% относительно теоретической зависимости. Причем величина погрешности в этом случае определяется только точностью совпадения реальной суммарной проходной площади с теоретической. Допускаемое отклонение в соответствии с (Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия. ГОСТ 12893-2005, стр. 5, пункт 3.1.69 и стр. 8, пункт 6.5.1.) составляет от 15 до 28,6% в зависимости от хода плунжера. Большее значение допускаемого отклонения соответствует началу хода плунжера при открытии клапана.

Практический интерес для одного и того же клапана представляет случай замены в нем сепаратора, обеспечивающего линейную пропускную характеристику, на сепаратор, обеспечивающий равнопроцентную пропускную характеристику.

При этом следует отметить, что для сепараторов, имеющих одинаковые размеры отверстий, максимальное значение пропускной способности при равнопроцентной характеристике будет всегда меньше значения максимальной пропускной способности при линейной характеристике (Черноштан В.И., Благов Э.Е. Рациональное профилирования клеточных регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой).

Пропускная способность клапана согласно (Гуревич Д.Ф. «Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: Расчет трубопроводной арматуры». Изд. 5-е. М., Изд. ЛКИ, 2008, стр. 454.) равна:

,

где K_vi - текущее значение пропускной способности, м³/ч;

- текущее значение суммарной площади круглых отверстий в сепараторе, м²;

ρ=1000 кг/м³, плотность текучей среды (воды);

ζ - коэффициент гидравлического сопротивления.

Математическое выражение для равнопроцентной пропускной характеристики имеет вид

,

где - текущее значение относительной пропускной способности;

K_vi - текущее значение пропускной способности, м³/ч;

K_vy - значение пропускной способности, соответствующее условному ходу плунжера, м³/ч;

Ф₀ - значения начальной пропускной способности в соответствии с (Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия. ГОСТ 12893-2005, стр. 5, пункт 3.1.69 и стр. 8, пункт 6.5.1.).

Предполагая, что коэффициент гидравлического сопротивления ζ при течении в отверстиях сепаратора слабо зависит от формы и площади радиальных круглых отверстий диаметром d, пропускная способность клапана будет практически пропорциональна суммарной проходной площади радиальных круглых отверстий диаметром d.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - показан общий вид регулирующего клапана с равнопроцентной пропускной характеристикой, продольный разрез в аксонометрии;

на фиг. 2 - показан отдельно сепаратор, продольный разрез в аксонометрии;

на фиг. 3 - приведен чертеж сепаратора, продольный разрез, сечение А-А соответствует расчетному сечению 12, сечение Б-Б соответствует расчетному сечению 11 таблицы 1;

на фиг. 4 - приведено сечение А-А сепаратора на фиг. 3, величина Y соответствует хорде между образующими по внутреннему диаметру сепаратора, увеличено;

на фиг. 5 - приведено сечение Б-Б сепаратора на фиг. 3, величина D соответствует внутреннему диаметру сепаратора, увеличено;

на фиг. 6 - приведен вид В сепаратора на фиг. 3, величины d, h_S и S соответствуют диаметру одинаковых круглых отверстий, шагу между одинаковыми круглыми отверстиями и минимальной толщины перемычки между одинаковыми круглыми отверстиями по образующей внутреннего диаметра сепаратора соответственно, увеличено;

на фиг. 7 - приведены рассчитанные теоретические значения относительной пропускной способности клапана в текущем расчетном сечении Ф_i, численно равные относительной суммарной проходной площади (пунктирная линия) и относительной фактической площади проходного сечения F_i (сплошная линия);

на фиг. 8 - приведено отклонение δF_i (в процентах) фактической проходной площади сепаратора F_i от теоретической зависимости Ф_i для создания равнопроцентной пропускной характеристики при Ф₀=0,04;

на фиг. 9 - приведены рассчитанные значения фактической относительной пропускной способности регулирующего клапана при различных относительных ходах h_i, плунжера (точки) и теоретическая равнопроцентная характеристика для данного клапана Ф_i при Ф₀=0,04 (сплошная линия);

на фиг. 10 - приведено отклонение (в процентах) рассчитанных значений относительной пропускной способности от теоретических значений зависимости Ф_i в пределах условного хода h_i, плунжера для значения относительной пропускной способности Ф₀=0,04.

Регулирующий клапан (фиг. 1) с равнопроцентной пропускной характеристикой содержит корпус 1, в котором установлен регулирующий орган с возможностью осевого перемещения подвижной его части, выполненной в виде плунжера 2, вдоль продольной оси клапана. Плунжер 2 взаимодействует с неподвижной частью, выполненной в виде сепаратора 3. В сепараторе 3 вдоль продольной оси клапана выполнены радиальные круглые отверстия 4 одинакового диаметра d, образующие суммарное проходное сечение F_n, и отверстия 5 диаметром d, образующие суммарное проходное сечение F₀, в количествах в соответствии с таблицей 1 (фиг. 1, 2). Перфорация отверстиями 4 сепаратора 3 выполнена неравномерно, с уменьшением плотности отверстий по мере приближения к выходному сечению сепаратора 3. На каждой образующей имеется одинаковое количество сечений, в которых по внутреннему диаметру сепаратора 3 расположены центры одинаковых круглых отверстий, как приведено в таблице 1. Кромки первых отверстий 4 на образующих совпадают с начальным сечением хода плунжера 2. Кромки отверстий 5, соответствующие относительной начальной пропускной способности клапана, расположены в том же сечении перед началом хода плунжера 2. Центры первых отверстий 4 на соседних образующих расположены на расстоянии равном сумме половины диаметра и половины расстояния между отверстиями. Количество отверстий 4 в каждом последующем сечении сепаратора расположено неравномерно по окружности сепаратора 3.

Используемые геометрические характеристики представлены на фиг. 3-5.

Рассчитанные значения относительной суммарной площади проходного сечения для количества круглых отверстий N_i и N₀ (пунктирная линия) и относительной фактической площади проходного сечения (сплошная линия) в зависимости от относительного хода плунжера приведены на фиг. 7.

Отклонение (степень соответствия) δF_i относительной фактической площади проходной сепаратора от теоретической зависимости в диапазоне изменения относительного хода плунжера для Ф₀=0,04, показано на фиг. 8.

Рассчитанные значения фактической относительной пропускной способности Ф_i регулирующего клапана при различных относительных ходах h_i плунжера (точки) и теоретическая равнопроцентная характеристика для данного клапана Ф_i при Ф₀=0,04 (сплошная линия), показаны на фиг. 9.

На фиг. 10 приведено отклонение рассчитанных значений относительной пропускной способности от теоретических значений зависимости Ф_i в пределах условного хода h_i плунжера для значения относительной пропускной способности Ф₀=0,04.

Регулирующий клапан работает следующим образом.

При перемещении плунжера 2 вдоль продольной оси клапана внутри сепаратора 3, установленного в корпусе 1, от начала радиальных круглых отверстий 4 к их концам и наоборот, происходит увеличение или уменьшение суммарной проходной площади радиальных круглых отверстий 4 и 5 в соответствии с равнопроцентной пропускной характеристикой. При перемещении плунжера 2 в прямом или обратном направлениях, отклонение рассчитанной фактической пропускной его характеристики от теоретической зависимости не превышает величину ±10%, (фиг. 10). Указанное перемещение плунжера 2 в пределах его хода h_y обеспечивает регулирование клапаном расхода или перепада давления текучей среды.

Осуществление предложенного способа при разработке конструкции регулирующего органа с заданным внутренним диаметром сепаратора включает получение изменения суммарного проходного сечения, образованного круглыми, не связанными между собой отверстиями 4 и 5 одинакового диаметра в стенке сепаратора 3, при перемещении плунжера 2 вдоль его оси. Предварительно вычисляют расстояние между центрами круглых отверстий 4 на образующих по формуле

h_s=S+d.

При этом центры отверстий 4 на образующих, кромки которых совпадают с началом условного хода плунжера 2, размещают между отверстиями 4 на соседних образующих, кромки последних отверстий 4 которых совпадают с концом условного хода плунжера 2. Затем вычисляют максимальное целое количество круглых отверстий n, соответствующее количеству расчетных сечений 2⋅n, одинаковое для каждой образующей, на основании задаваемых диаметра d и минимальной толщины перемычки S (фиг. 1, 6)

,

Затем определяют максимальное количество образующих, соответствующее целому количеству центров отверстий 4 в любом сечении сепаратора 3

,

и вычисляют целое количество отверстий 4, размещаемое в сечениях по образующим сепаратора 3, по формуле

,

затем вычисляют значения F_Σ, F_Q, F_n, N₀, принимая заданным в соответствии с рекомендациями (Черноштан В.И., Благов Э.Е. Рациональное профилирования клеточных регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой) Ф₀=0,01-0,04, и вычисляют изменение суммарного проходного сечения сепаратора F_Σ из решения системы уравнений:

F_Σ=F_n+F₀

F₀=N₀⋅F

Далее оценивают отклонение фактической суммарной проходной площади сепаратора от теоретической зависимости для создания равнопроцентной пропускной характеристики (оценку соответствия изменения суммарного проходного сечения от теоретической зависимости в пределах условного хода плунжера) по формуле:

.

В качестве примера конкретного воплощения предлагаемого варианта конструкции регулирующего органа взят регулирующий клапан Ду 300. Вариант изготовления неподвижной части регулирующего органа, состоящего из одинаковых отверстий диаметром, представлен на фиг. 1, 2.

Количество одинаковых круглых отверстий приведены в таблице 1 в пределах условного хода при заданных значениях:

d=0,008 м,

S - не менее 0,0045 м,

h_y=0,077 м,

h_s=0,012545 м,

Y - не менее 0,022 м,

D=0,1951 м

δF - не более 10%

Отклонение δF_i рассчитанных относительных значений фактической суммарной площади проходного сечения сепаратора 3 от теоретической зависимости в пределах условного хода плунжера 2 в зависимости от относительного хода h_i для создания равнопроцентной пропускной характеристики при Ф₀=0,04 приведено на фиг. 8.

Значения относительной пропускной способности регулирующего клапана Ф_i для Ф₀=0,04 при различных ходах плунжера (точки) полученные на основании численного решения уравнений гидродинамики и рассчитанных в этом случае максимального K_vy и минимального значений K_v0 пропускной способности и теоретическая (сплошная линия, Ф_i=ƒ(/h_i)), для данного клапана приведены на фиг. 9

Значение величины Ф₀ было принято равным максимальному значению в соответствии с (Моквелд. «Клапаны защиты от гидроудара (перепускные демпфирующие клапаны)». Каталог, стр. 1-4), а именно Ф₀=0,04.

Приведенные на фиг. 10 значения отклонений относительной пропускной способности в зависимости от относительного хода плунжера h_i при Ф₀=0,04 вычислены по формуле:

.

Как видно из графика приведенные значения погрешности не превышают допустимые их значения для равнопроцентной характеристики в соответствии с (Моквелд. «Клапаны защиты от гидроудара (перепускные демпфирующие клапаны)». Каталог, стр. 1-4), а именно:

.

Так в начале характеристики, согласно (Черноштан В.И., Благов Э.Е. Рациональное профилирования клеточных регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой), допускается максимальная погрешность равная ±28,6%, а в конце характеристики ±15%, при этом фактическая погрешность не превышает ±9%.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет создать регулирующий клапан, перфорация сепаратора которого осуществляется только одинаковыми, размещенными на образующих внутреннего диаметра круглыми отверстиями, обеспечивающего максимальное (не более 10%) отклонение фактической равнопроцентной пропускной характеристики от теоретической и упростить технологию его изготовления.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к регулирующей трубопроводной арматуре, предназначенной для регулирования потока проходящей текучей среды, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности. Способ профилирования равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана включает получение изменения суммарного проходного сечения, образованного круглыми, не связанными между собой отверстиями одинакового диаметра в стенке сепаратора, при перемещении плунжера вдоль его оси. Способ осуществляют с использованием регулирующего клапана, содержащего установленный в корпусе регулирующий орган с возможностью перемещения плунжера вдоль продольной оси клапана. Плунжер взаимодействует с сепаратором. В стенках сепаратора вдоль продольной оси клапана расположены радиальные круглые отверстия одинакового диаметра, образующие суммарное проходное сечение. Перфорация отверстиями сепаратора выполнена неравномерно с уменьшением плотности отверстий по мере приближения к выходному сечению сепаратора и по окружности сепаратора в каждом сечении по его внутреннему диаметру. При этом кромки отверстий на образующих, совпадающих с началом хода плунжера и соответствующих относительной начальной пропускной способности клапана, расположены в одном сечении. Технический результат состоит в создании регулирующего клапана, в котором за счет организации взаимного расположения одинаковых круглых отверстий обеспечивается задаваемое отклонение фактической проходной площади сепаратора от теоритической зависимости и реализуется равнопроцентная пропускная характеристика. 2 н.п. ф-лы , 10 ил., 1 табл.

1. Способ профилирования равнопроцентной пропускной характеристики регулирующего клапана, включающий получение изменения суммарного проходного сечения, образованного круглыми, не связанными между собой отверстиями одинакового диаметра в стенке сепаратора, при перемещении плунжера вдоль его оси, отличающийся тем, что, предварительно вычисляют расстояние между центрами круглых отверстий, находящихся в сечениях на образующих по внутреннему диаметру сепаратора, в пределах условного хода плунжера по формуле

h_s=S+d,

при этом центры отверстий, кромки которых совпадают с началом условного хода плунжера на образующих, располагают между центрами отверстий на соседних образующих, кромки последних отверстий которых совмещены с концом условного хода плунжера, затем вычисляют целое количество круглых отверстий на каждой образующей по формуле

и определяют максимальное количество образующих в любом сечении сепаратора по формуле

затем вычисляют целое количество отверстий в пределах условного хода плунжера, размещаемых в каждом сечении по образующим сепаратора, по формуле

а изменение суммарного проходного сечения сепаратора F_∑ в пределах условного хода плунжера определяют путем решения системы уравнений

F_∑=F_n+F₀

F₀=N₀⋅F,

затем оценивают отклонение фактической проходной площади сепаратора от теоретической зависимости для создания равнопроцентной пропускной характеристики по формуле

где h_s - расстояние между центрами круглых отверстий, расположенных на образующих внутреннего диаметра сепаратора, м;

S - расстояние по образующей внутреннего диаметра между соседними отверстиями, м;

d - диаметр круглых отверстий в проходном сечении сепаратора, м;

n - целое количество отверстий по образующей внутреннего диаметра сепаратора, шт.;

h_y=n⋅h_s+d - условный (максимальный) ход плунжера, м;

h_s - расстояние между центрами круглых отверстий по образующей внутреннего диаметра сепаратора, м;

N_max - максимальное количество образующих в любом сечении сепаратора, шт.;

π=3.14 - математическая постоянная, равная отношению длины окружности к ее диаметру;

Y - расстояние по хорде внутреннего диаметра между соседними отверстиями в сечении сепаратора, м;

D - внутренний диаметр сепаратора, м;

N_i - количество круглых отверстий диаметром d в каждом расчетном сечении сепаратора, шт;

i - порядковый номер текущего расчетного сечения, i изменяется от 0 до m=2⋅n-1 - суммарное количество расчетных сечений;

- относительное приращение суммарной площади круглых отверстий проходного сечения сепаратора для соседних расчетных сечений, для ;

- относительная пропускная способность клапана в текущем расчетном сечении;

Ф₀ - относительная величина начальной пропускной способности клапана;

- отношение текущего хода плунжера к условному ходу плунжера в каждом расчетном сечении;

x_i - текущее значение хода плунжера, м;

F_∑ - суммарное проходное сечение сепаратора в пределах условного хода плунжера, м²;

F_n - суммарная площадь круглых одинаковых отверстий в пределах условного хода плунжера, м²;

F₀ - суммарная площадь круглых отверстий, соответствующая относительной начальной пропускной способности за пределами условного хода плунжера, м²;

- площадь проходного сечения круглых отверстий, м²;

N₀ - количество отверстий за пределами условного хода плунжера, соответствующее относительной начальной пропускной способности;

- относительная площадь проходного сечения.

2. Регулирующий клапан с равнопроцентной пропускной характеристикой, содержащий установленный в корпусе регулирующий орган с возможностью перемещения подвижной его части в виде плунжера вдоль продольной оси клапана, взаимодействующий с неподвижной его частью в виде сепаратора, в стенках которого вдоль продольной оси клапана расположены радиальные круглые отверстия одинакового диаметра, образующие суммарное проходное сечение, при этом перфорация отверстиями сепаратора выполнена неравномерно с уменьшением плотности отверстий по мере приближения к выходному сечению сепаратора, отличающийся тем, что, неравномерная перфорация сепаратора отверстиями выполнена по окружности в каждом сечении вдоль образующих по его внутреннему диаметру, при этом кромки отверстий на образующих, совпадающих с началом условного хода плунжера и соответствующих относительной начальной пропускной способности клапана, расположены в одном сечении.