Регулирующий клапан осевого потока

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, предназначенной для регулирования расхода или давления на нагнетательных трубопроводах, и может быть использована в газовых и нефтяных магистралях при регулировании процессов перекачки жидких и газовых сред под давлением.
Известен клапан осевого потока, состоящий из жестко соединенных между собой наружного корпуса с седлом и внутреннего корпуса, образующих спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженного плунжера с уплотнительными поверхностями, размещенного во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором (патент RU №2267680 С1, МПК F16К 1/12, приоритет от 28.05.2004, опубл. 10.01.2006 г.).
Недостатком клапана является сложность конструкции запорного органа, снабженного герметизирующим металлическим сильфоном, поддержание работоспособности которого требует дополнительного обслуживания оборудования байпасной линии. Нарушения и сбои в работе байпасной линии и сильфона приводят к недостаточной герметичности клапана, особенно при высоких давлениях регулируемой среды. Кроме того, наличие байпасной линии ведет к увеличению числа уплотнений в клапане, что снижает его надежность.
Известен осевой регулирующий клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходная часть которого перекрыта перфорированным отверстиями сепаратором (гильзой), жестко соединенного с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на ведомой рейке реечного механизма, ведущий шток которого соединен с приводом, полости косозубого зацепления и торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, а полость торца ведомого штока сообщена с полостью поршня, комбинированный уплотнитель, включающий кольцо из материала, обладающего низким коэффициентом трения (патент RU №165850 U1, МПК F16К 1/12, F16К 47/08, F16К 39/04, приоритет от 16.09.2015, опубл. 10.11.2016).
Недостатком известного клапана является:
наличие кольцевой проточки на внешней цилиндрической поверхности поршня негативно влияет на работу уплотнений. В закрытом положении уплотнения находятся в контакте с поршнем, что и обеспечивает герметичность клапана, однако при движении поршня уплотнения выходят из контакта с внешней цилиндрической поверхностью поршня из-за наличия проточки, образуя при этом увеличенный кольцевой канал между кольцевой проточкой внешней поверхности поршня и внутренней поверхностью сепаратора (гильзы). Уплотнители при цикле открыто-закрыто воспринимают дополнительную нагрузку от усилия поджатия поршня в момент перехода от проточенной внешней поверхности поршня к не проточенной, что существенно снижает надежность уплотнительного узла клапана. Также есть вероятность, что при переходе из не рабочего (не поджатого) в рабочее (поджатое) состояние, уплотнители могут неправильно встать или выскочить из кольцевой канавки в сепараторе (гильзе), вследствие чего герметичность не будет обеспечена. Также, ввиду увеличенного кольцевого канала между поршнем и сепаратором (гильзой) может происходить разрушение уплотняющей поверхности уплотнителей потоком рабочей среды, что повлечет за собой отсутствие герметичности уплотнения. Наличие в рабочей среде механических примесей также будут влиять на повышенное разрушение уплотняющей поверхности уплотнителей;
выполнение на внутренней части сепаратора (гильзы) с каждой стороны от перфорированных отверстий способствует образованию набегающей погрешности допуска несоосности ввиду того, что в корпусе имеются две посадочные поверхности для установки гильзы и соответственно две посадочные поверхности на наружной стороне гильзы. Геометрическое расположение гильзы в корпусе будет определяться по указанным посадочным поверхностям с учетом погрешности и допусков форм их изготовления. Однако кольцевые канавки в гильзе для установки уплотнителей выполняются без учета погрешности размеров и допусков форм посадочных поверхностей корпуса, в результате чего, образуется косвенная погрешность, которая влияет на геометрическое расположение уплотнителей относительно корпуса. Это в свою очередь влияет на герметичность клапана, на усилия, которые необходимо приложить для перемещения поршня в гильзе, и соответственно на надежность клапана.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности конструкции регулирующего клапана осевого потока.
Поставленная задача решается тем, что в регулирующем клапане осевого потока, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходная часть которого перекрыта перфорированным отверстиями сепаратором, жестко соединенного с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на ведомой рейке реечного механизма, ведущий шток которого соединен с приводом, полости косозубого зацепления и торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, а полость торца ведомого штока сообщена с полостью поршня, уплотнительный узел, включающий неподвижно установленное кольцо из материала, обладающего низким коэффициентом трения, согласно полезной модели, уплотнительный узел размещен в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности выходной части обтекателя, соединенного с сепаратором перед радиальными отверстиями и снабжен двумя манжетами, установленными противоположно друг другу по обе стороны от кольца, обладающего низким коэффициентом трения, с установленным в каждой из них грязесъемником с возможностью обеспечения двухсторонней герметичности клапана в закрытом положении и исключения попадания механических примесей на уплотнительные поверхности манжет.
Размещение уплотнительного узла в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности выходной части обтекателя, соединенного с сепаратором перед радиальными отверстиями и снабжение его двумя манжетами, установленными противоположно друг другу по обе стороны от кольца, обладающего низким коэффициентом трения, с установленным в каждой из них грязесъемником, позволяет исключить набегающую погрешность кольцевых канавок под уплотнения, обеспечивает возможность двухсторонней герметичности клапана в закрытом положении за счет расположения двух манжет между поршнем и корпусом, и исключения попадания механических примесей на уплотнительные поверхности манжет, что способствует повышению надежности конструкции регулирующего клапана осевого потока.
Установление кольца-подшипника между двумя манжетами обеспечивает центрирование поршня относительно оси его движения, снижает воспринимаемую манжетами нагрузку и тем самым уменьшает их износ, а за счет низкого коэффициента трения уменьшает усилия, необходимые для перемещения поршня.
Кольцо-подшипник также служит в качестве грязесъемника, исключающий попадание на уплотняющие поверхности манжет механических примесей, содержащихся в рабочей среде.
Также данная конструкция уплотнительного узла обеспечивает постоянный контакт уплотняющих манжет с поршнем. Отсутствие проточки на поршне обеспечивает постоянный экструзивный зазор между уплотнением и поршнем, который является основным фактором гарантирующим герметичность. Расположение уплотнений в обтекателе корпуса позволяет исключить из конструкции уплотнение между наружной поверхностью сепаратора и внутренней поверхностью корпуса, что в свою очередь повышает надежность клапана.
Регулирующий клапан осевого потока поясняется чертежами где:
на фиг. 1 приведен общий вид регулирующего клапана осевого потока, продольный разрез.
на фиг 2 вид А на фиг. 1, показан уплотнительный узел, расположенный в корпусе перед сепаратором. На чертежах позициями обозначены:
1 - корпус
2 - входной патрубок
3 - выходной патрубок
4 - обтекатель
5 - проходной кольцевой канал
6 - сепаратор
7 - радиальные отверстия в сепараторе
8 - седло
9 - втулка прижимная
10 - поршень
11 - полость поршня
12 - отверстия в торце поршня
13 - ведущий шток косозубого зацепления
14 - косозубое зацепление
15 - ведомая рейка косозубого зацепления
16 - втулка направляющая
17 - вертикальное отверстие во втулке направляющей
18 - горизонтальное отверстие во втулке направляющей
19 - отверстие в корпусе
20 - подвижное уплотнение
21 - неподвижное уплотнение
22 - полость косозубого зацепления
23 - уплотнительный элемент
24 - уплотнительный элемент
25 - обтекатель
26 - уплотнение
27 - канал
28 - сальниковый узел
29 - кольцевая проточка
30 - кольцо-подшипник скольжения
31 - манжета
32 - манжета
Регулирующий клапан осевого типа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и обтекатель 4, формирующие проходной кольцевой канал 5 (фиг. 1). На выходе из канала 5 установлен сепаратор 6 с радиальными отверстиями 7. Сепаратор 6 закреплен седлом 8 и втулкой прижимной 9 в выходном патрубке 3. Внутри сепаратора 6 с возможностью осевого перемещения установлен поршень 10. Полость 11 поршня 10 сообщается с полостью выходного патрубка 3 посредством отверстий 12, выполненных в торце поршня 10. Механизм перемещения поршня 10 включает реечный механизм, содержащий ведущий шток 13, взаимодействующий посредством косозубого зацепления 14, с ведомой рейкой 15. Перемещение рейки 15 косозубого зацепления 14 ограничено втулкой направляющей 16, зафиксированной в полости обтекателя 4. Во втулке 16 выполнены два взаимно перпендикулярных отверстия: вертикальное отверстие 17 и горизонтальное отверстие 18. Вертикальное отверстие 17 выполнено соосно отверстию 19, выполненному в корпусе 1, в которых расположен ведущий шток 13. В горизонтальном отверстии 18 расположена ведомая рейка 15. Отверстие 18 между подвижным уплотнением 20 и неподвижным уплотнением 21 и полость отверстий 17 и 19 образуют полость 22 косозубого зацепления. Полость 22 изолирована уплотнительными элементами 23 и 24 от давления рабочей среды. Отверстие 18 со стороны свободного торца ведомой рейки 1 изолировано обтекателем 25 и уплотнением 26 от полости входного патрубка 2 и соединено каналами 27 и каналом обтекателя 4 с полостью поршня 11. Вверху отверстия в корпусе 19 расположен уплотняющий сальниковый узел 28. Для обеспечения двухсторонней герметичности клапана в закрытом положении на внутренней поверхности выходной части обтекателя 4, соединенного с сепаратором 6 перед радиальными отверстиями 7, выполнена кольцевая проточка 29. В проточке 29 установлено кольцо-подшипник скольжения 30, обладающее низким коэффициентом трения (фиг. 2). Кольцо-подшипник скольжения 30 снабжено двумя манжетами 31 и 32, центрирует поршень 10 относительно оси движения, снижает воспринимаемую манжетами 29 и 30 нагрузку и за счет низкого коэффициента трения уменьшает усилия, необходимые для перемещения поршня 10. Манжеты 31 и 32 установлены противоположно друг другу по обе стороны от кольца-подшипника 30. Манжета 31 обеспечивает герметичность клапана в закрытом положении затвора относительно давления среды со стороны входного патрубка 2 клапана. Манжета 32 обеспечивает герметичность клапана в закрытом положении затвора относительно давления среды со стороны выходного патрубка 3 клапана. При этом манжеты 31 и 32 исключают попадание механических примесей на их уплотнительные поверхности. Работает клапан следующим образом.
Регулируемая среда поступает во входной патрубок 2 и, проходя кольцевым каналом 5, сформированным корпусом 1 и обтекателем 4, через отверстия 7 сепаратора 6 поступает в выходной патрубок 3. При необходимости уменьшения объема регулируемой среды (при закрывании клапана), поршень 10 посредством ведомой рейки 15 и ведущего штока 13 косозубого зацепления 14, смещается приводом в правое положение, перекрывая отверстия 7 сепаратора 6. Объем проходящей регулируемой среды определяется числом открытых отверстий 7 в сепараторе 6. При полностью перекрытых отверстиях сепаратора клапан закрыт.
Открывание клапана производится приводом, задающим движение ведущему штоку 13, соединенному посредством косозубого зацепления 14 с ведомой рейкой 15, который перемещает в левое положение поршень 10. При этом давление рабочей среды в полости 11 поршня 10 равно давлению в выходном патрубке 3 за счет наличия отверстий 12 в торце поршня 10, сообщающих указанные полости. Поршень полностью разгружен.
Давление рабочей среды в отверстии 18 втулки направляющей 16, сформированного для торца ведомой рейки 15, равно давлению в полости 11 поршня 10 за счет наличия каналов 27 и каналом обтекателя 4, сообщающих указанные полости, а, значит, и давлению в полости выходного патрубка 3. Шток 13 полностью разгружен.
Полость 22 косозубого зацепления 14 изолирована от давления рабочей среды посредством уплотнительных элементов 20, 21, 23, 24, благодаря чему на торец ведущего штока 13 не действует усилие от давления рабочей среды при перемещении поршня 10.
Герметичность полости 22 косозубого зацепления 14 относительно внешней среды обеспечивается уплотняющим сальниковым узлом 28.
Кольцо-подшипник 30, установленное между двумя манжетами, служит в качестве центрирующего органа поршня 10 относительно корпуса, а также в качестве подшипника скольжения с низким коэффициентом трения, обеспечивает разгрузку усилий с манжет 31 и 32, тем самым уменьшает их износ. Манжеты 31 и 32 снижают попадание на уплотняющие поверхности уплотнений механических примесей, содержащиеся в рабочей среде. Обеспечивается постоянный контакт уплотняющих манжет 31 и 32 с поршнем 10. Отсутствие проточки на поршне 10 обеспечивает постоянный экструзивный зазор между уплотнением и поршнем 10, который является основным фактором гарантирующим герметичность. Перенос уплотнений в обтекатель 4 корпуса 1 позволяет исключить из конструкции уплотнение между наружной поверхностью сепаратора 6 и внутренней поверхностью корпуса 1, что в свою очередь повышает надежность клапана.
Таким образом, результатом усовершенствования конструкции регулирующего клапана осевого потока является повышение надежности и долговечности конструкции клапана.