ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН

Предложенная полезная модель относится к области клапанного агрегатостроения, и может быть использована для стравливания из резервуаров и емкостей сверхнормативного избыточного давления рабочей среды подвергаемой термоциклированию (периодической смене температуры).
Известен предохранительный клапан, содержащий размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорные органы, связанные между собой рычагом, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения относительно седла запорного органа [Авторское свидетельство СССР №974004 F 16 К 17/06].
Недостатком известного клапана является наличие прямой связи между запорным органом и пружиной, приводящей к пульсации или работе в режиме автоколебания при совпадении собственных частот колебаний пружины и запорного органа при работе в широком диапазоне рабочих давлений, характерном для универсальных стендов при проверке агрегатов автоматики и управления летательных аппаратов.
Известен предохранительный клапан, содержащий размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и, выполненный в виде поршня, разгрузочный элемент, связанные между собой рычагом, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненного в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и поршня [А.С. СССР №1000652, МКИ F 16 K 17/06].
В частности для достижения герметичности поликарбонатных уплотнений запорной арматуры при температуре ниже 80°К рекомендуется
увеличивать контактное давление в них в 3,2 раза по сравнению с потребным для обеспечения герметичности в нормальных условиях, т.е. при температуре 253...293°К [Романенко Н.Т., Куликов Ю.Ф. Криогенная арматура. - М.: Машиностроение, 1978. - 110 с.].
Также известно, что при повышении температуры (больше 373°К) резко уменьшится жесткость полимерных уплотнений запорных органов, а, следовательно уменьшается (по сравнению с нормальными условиями) потребное усилие герметизации, величина которого определяет срок службы уплотнения [Гидропневмотопливные клапанные агрегаты с управляемым качеством динамических процессов: Учебно-справочное пособие / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, А.Н.Кирилин и др.; Под ред. Д.Е.Чегодаева и О.П.Мулюкина. - Самара: СГАУ, 2000. - 546 с.].
Недостатком устройства является нестабильность герметизирующей способности и силового нагружения уплотнителя запорного органа при термоциклировании рабочей среды.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение герметизирующей способности полимерных уплотнений предохранительной арматуры при термоциклировании рабочей среды.
Технический результат достигается тем, что в предохранительном клапане, содержащем размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и, выполненный в виде поршня разгрузочный элемент, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненного в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и разгрузочного элемента, разгрузочный элемент выполнен в виде подпружиненного поршня, с возможностью предварительной регулировки усилия прижатия запорного органа, ось
вращения механизма выполнена в виде закладной сферической опоры, сцентрированной в подпружиненном плунжере, с возможностью осевого перемещения в нем, на котором жестко закреплены струбцины, с одной стороны закладной сферической опоры и струбциной установлен пакет биметаллических тарельчатых пружин, с другой стороны закладной сферической опоры и струбциной установлена, например цилиндрическая пружина сжатия.
Конструктивное выполнение разгрузочного элемента позволяет установить предварительно необходимое усилие прижатия запорного органа.
Перемещение закладной сферической опоры - оси вращения рычага под действием работы пакета биметаллических тарельчатых пружин и например, цилиндрической пружины сжатия позволяет получить:
- изменение величины герметизирующего усилия по уплотнению запорного органа с седлом, что обеспечивает стабилизацию величины протечек через закрытый предохранительный клапан при термоциклировании рабочей среды;
- снижение удельного герметизирующего усилия по уплотнению запорного органа с седлом при росте температуры рабочей среды, что благоприятно сказывается на увеличении ресурса полимерных уплотнений (фторопласт, картон, полиамид, поликарбонат и др.).
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого устройства. Предохранительный клапан состоит из: 1 - корпус; 2 - клапан; 3 - седло; 4 - штуцер; 5 - струбцина; 6 - штифт; 7 - струбцина; 8 - крышка; 9 - пружина сжатия; 10 - цилиндр; 11 - поршень; 12 - рычаг; 13 - крышка; 14 - цилиндрическая пружина сжатия; 15 - сферическая закладная опора; 16 - пакет биметаллических тарельчатых пружин; 17 - штуцер; 18 - плунжер; 19 - упор; 20 - цилиндрическая пружина сжатия; 21 - направляющая; 22 - крышка.
1
2
1
2
В исходном положении (до подачи давления рабочей среды на «Вход») предохранительного клапана к штуцеру 17 герметично закрепленном в крышке 13 корпуса 1, зазор Δ=0, так как плунжер 18 под действием пружины 20 в направляющей 21 с крышкой 22 прижимается до упора 19, при этом конструктивно обеспечено равенство плеч рычага 12 (L=L) клапан 2 поджат к седлу 3, на штуцере 4, усилием пружины 9, установленной в поршне 11, через шарнирно-рычажный механизм с осью вращения в виде закладной сферической опоры 15. Усилие пружины 9 регулируется крышкой 8. Конструктивно обеспечено равенство усилий, развиваемых пакетами из биметаллических тарельчатых 16 и цилиндрических 14 пружин сжатия, размещенных между струбцинами 5 и 7, жестко закрепленными штифтом 6, при исходной температуре, соответствующей нормальным климатическим условиям (253...273°К). Это обеспечивает при нормальных климатических условиях постоянство осевого положения закладной сферической опоры 15 в подпружиненном плунжере 18 (L=L).
ИЗБ
ИЗБ
РАБ
РАБ
Принцип работы охарактеризованной конструкции рассмотрим для двух режимов с учетом основного назначения ПК оперативного стравливания из защищаемой системы (резервуары, котлы, сосуды и прочие емкости под давлением) избыточного давления рабочей среды P в атмосферу или специальные отводные коллекторы (Р>Р) где Р - давление рабочей среды допускаемое нормами безопасной эксплуатации сосудов под давлением).
Режим работы ПК без термоциклирования рабочей среды (температура рабочей среды, подводимой на «Вход» ПК постоянна или меняется незначительно).
РАБ
ИЗБ
При подводе в ПК давления рабочей среды Р<Р рычажно-шарнирная система в описанном ранее исходном положении (клапан 2
1
2
поджат к седлу 3 отсекая «Выход» ПК от его «Выхода»; зазор Δx=0; L=L).
Равновесие сил воздействующих на рычажно-шарнирный механизм ПК, при этом обеспечивается в силу выполнения системы зависимостей:
9
где  - усилие предварительной затяжки цилиндрической пружины сжатия 9 с жесткостью С, , здесь  - длина пружины 9 в свободном состоянии;  - длина посадочного места в конструкции под пружину 9],  - усилие предварительной затяжки цилиндрической пружины сжатия 20 с жесткостью .
РАБ
ИЗБ
При росте давления рабочей среды (P≥Р) происходит нарушение равновесного положения рычажно-шарнирного механизма вследствие смены знака в неравенстве (3), которое трансформируется в новый вид:
При этом плунжер 18 переместится вправо, преодолевая усилие пружины 20 на некоторый ход, равный появившемуся зазору Δx (Δx>0) до нового положения равновесия плунжера 18, описываемого выражением:
Одновременно с перемещением плунжера 18 также вправо на ход Δx сместится размещенная в плунжере закладная сферическая опора 15, что приведет к соответствующему изменению длин плеч рычага 12. Длина
2
1
правой части рычага при этом уменьшится (L-Δх), а левой увеличится (L+Δх).
Соответственно зависимости (1), (3) с учетом (4), (5) трансформируются в новые неравенства:
В силу неравенства (6) правое плечо рычага 12 развернется относительно оси вращения рычага против часовой стрелки на некоторый угол, перемещая при этом хвостовик клапана 2. В результате этого клапан 2 отойдет от седла 3, и избыточное давление рабочей среды будет дренажироваться со стороны «Выход» ПК через выходной штуцер 4.
ИЗБ
РАБ
ИЗБ
Дренажирование рабочей среды из штуцера 4 будет производиться до момента времени, когда давление среды достигнет значения меньшего Р. При Р<Р вступит в силу система зависимостей (1)-(3) и в порядке, обратном вышеизложенному, ПК вернется в исходное положение посадки клапана 2 на седло 3 с прекращением дренажирования рабочей среды со стороны «Выход» (см. исходное положение ПК на чертеже).
Режим работы ПК с термоциклированием рабочей среды (циклические смены температуры рабочей среды, подводимой на «Вход» ПК).
РАБ
ИЗБ
РАБ
ИЗБ
Принцип работы ПК в этом режиме при изменении давления рабочей среды (Р<Р и Р≥Р) аналогичен режиму работы ПК в ранее рассмотренном режиме без термоциклирования рабочей среды.
УД
Режим работы ПК при термоциклировании рабочей среды характеризуется особенностями поддержания (увеличения или уменьшения) удельного давления герметизации R в зоне контакта
ИЗБ
клапана 2 с седлом 3 при смене температуры рабочей среды при рабочем давлении, меньшим величины Р.
УД
2
2
1
1
Т.Ц
Т.Ц
Т.Ц
Очевидно, что снижение температуры подводимой со стороны «Вход» рабочей среды (по сравнению с нормальными климатическими условиями) потребует с целью исключения повышения утечек через закрытую клапанно-седельную пару 2, 3 увеличения величины R в зоне клапанного уплотнения. Данное требование реализуется за счет пакета биметаллических тарельчатых пружин 16, который при отмеченном снижении температуры уменьшает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие. Вследствие этого под действием цилиндрической пружины сжатия 14 (мало чувствительной к изменению окружающей температуры) закладная сферическая опора 15 переместится на некоторый ход х вправо, уменьшая плечо рычага L до величины (L-x), и увеличивая плечо рычага L до величины (L+х).
УД
В результате этого увеличивается момент действия усилия цилиндрической пружины сжатия 9, воздействующей на левое плечо рычага 12, что способствует увеличению величины R в зоне уплотнения
клапанно-седельной пары 2, 3, а, следовательно, и ее герметизирующей способности при низких температурах.
Т.Ц
1
2
При повышении рабочей среды до нормального расчетного значения пакет биметаллических тарельчатых пружин 16 восстанавливает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие до первоначальных значений при нормальной температуре. Следствием этого явится перемещение закладной сферической опоры 15 на ход х влево до равенства величин плеч рычага (L=L).
УД
Сверхнормативное повышение температуры рабочей среды (по сравнению с нормальной ее температурой) обуславливает потребность в снижении величины R в зоне клапанного уплотнения клапана 2 с
УД
2
2
1
1
седлом 3. Это связано с тем, что с ростом температуры в зоне уплотнения резко снижается потребная величина усилия герметизации, а избыточное усилие герметизации (сверх потребного для получения заданной степени герметизирующей способности) резко снижает ресурс клапанного уплотнения. Данное требование по снижению величины R в зоне клапанного уплотнения также реализуется за счет пакета биметаллических тарельчатых пружин 16, который при отмеченном повышении температуры увеличивает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие. Вследствие этого пакет биметаллических тарельчатых пружин 16, преодолевая усилие цилиндрической пружины сжатия 14, переместит закладную сферическую опору 15 на некоторый ход x влево, увеличивая плечо рычага L до величины (L+x), и, уменьшая плечо рычага L до величины (L-x).
УД
В результате этого уменьшится момент действия усилия цилиндрической пружины сжатия 9, воздействующей на левое плечо рычага 12, что способствует снижению величины R в зоне уплотнения клапанно-седельной пары.
1
2
При достижении температуры рабочей среды расчетной (нормальной) величины пакет биметаллических тарельчатых пружин 16 восстанавливает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие до первоначальных значений при нормальной температуре. Это обеспечивает возвращение опоры 15 в исходное положение с равенством плеч рычага 12 (L=L).
Т.Ц
Т.Ц
Величины предельных значений размеров и усилий биметаллических пружин (хромель-копелевые и пр.), определяющих величину рабочего хода х при термоциклировании, принимаются по тарировочным графикам пружин под температурный режим работы ПК, а сама величина х вводится в систему зависимостей (1)-(3).
Данная конструкция предохранительного клапана позволяет использовать его в системе защиты и предохранения сосудов и емкостей пневмогидравлических систем объектов, и обеспечит выполнение требований по герметизирующей способности и ресурсу полимерных уплотнений предохранительной арматуры при термоциклировании рабочей среды. К таким объектам можно отнести энергетические установки транспортной техники на криогенном топливе (сжиженный природный газ, жидкий водород) и высокотемпературное оборудование и агрегаты с диссипацией энергии в окружающую среду при совершении рабочего хода (кузнечно-прессовое оборудование; гидроподъемники; пневматические и гидравлические демпферы и виброизоляторы различного назначения.