Регулирующий осесимметричный 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 осевой антипомпажный регулирующий клапан, содержащий корпус с выходным и выходным патрубками, и размещенный внутри корпуса обтекатель, с образованием кольцевого канала, выходная часть которого перекрыта перфорированной отверстиями цилиндрической гильзой в виде сепаратора, жестко соединенной с корпусом и выходным патрубком и размещенный в гильзе с возможностью осевого перемещения внутри нее цилиндрический поршень, закрепленный на ведомом штоке зубчато-реечного механизма, ведущий шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, косозубое зацепление зубчато-реечного механизма и свободные торцы ведущего и ведомого штоков расположены в сформированных для них полостях, полости косозубого зацепления и торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, а полость торца ведомого штока сообщена с полостью поршня (патент RU №165850 U1, МПК F16K 1/12, F16K 47/08, F16K 39/04, приоритет от 16.09.2015, опубл. 10.11.2016).
Однако в процессе перемещения поршня из положения закрыто в положение открыто и обратно из-за каких-либо центрирующих устройств происходит изменение зазора между наружной цилиндрической поверхностью поршня и внутренним диаметром сепаратора, обусловленное точностью изготовления деталей (фактические допуски изготовления посадочных диаметров и фактическими допусками на формы посадочных поверхностей). Изменяющиеся зазоры и отсутствие центрирующих поршень устройств, будет происходить неравномерное распределение усилий в кольцевых уплотнениях, обеспечивающих герметичность затвора в закрытом положении, то есть будет происходить повышенный износ уплотнений и в какой-то момент повлияет на герметичность затвора
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является регулирующий клапан осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный 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, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы ведущего штока и ведомой рейки расположены в сформированных для них полостях, полости косозубого зацепления и торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, а полость торца ведомой рейки сообщена с полостью поршня (патент RU №84938 U1, МПК F16K 39/04, приоритет от 02.02.2009, опубл. 20.07.2009).
Недостатком известного клапана является то, что
в процессе перемещения поршня из положения открыто в положение закрыто происходит смещение оси поршня, обусловленное фактическими допусками на посадочные диаметры (корпус - втулка направляющая, втулка направляющая - рейка, уплотнения рейки - втулка направляющая, рейка - поршень, корпус - сепаратор, уплотнения -сепаратор) и фактическими допусками на формы посадочных поверхностей (корпус - втулка направляющая, втулка направляющая -рейка, уплотнения рейки - втулка направляющая, рейка - поршень, корпус - сепаратор, уплотнения - сепаратор), будет не постоянным, то есть зазор на сторону между наружным диаметром поршня и внутренним диаметром сепаратора в каждой точки положения хода поршня будет разным. Наличие изменяющегося зазора между наружным диаметром поршня и внутренним диаметром сепаратора создает переменные нагрузки на уплотнения, в связи с чем, на уплотнениях появляются зоны, на которые действует нагрузка выше, чем на другие зоны, что приводит к повышенному износу уплотнений. Тем самым надежность клапана снижается;
наличие каналов малого диаметра во втулке, служащих для перетока среды при перемещении ведомого штока. В процессе эксплуатации есть вероятность, что из-за имеющихся механических примесей в природном газе и каналы втулки могут быть засорены или сужены, а в зимний период может образоваться наледь. Сужение проходного сечения каналов во втулке для перетока среды влияет на работоспособность клапана. Для обеспечения работоспособности клапана необходимо увеличивать усилия для перемещения поршня клапана, вследствие появления избыточного давления, образовавшегося при перемещении ведомого штока в отверстии втулки из-за сужения проходного сечения каналов во втулке. Сужение проходного сечения каналов во втулке для перетока среды влияет на время срабатывания, точность регулирования, износ реечного механизма и в целом на работоспособность клапана, в результате чего надежность клапана снижается.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение надежности конструкции регулирующего осесимметричного клапана осевого потока.
Техническая проблема решается тем, что регулирующий осесимметричный клапан осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный 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, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы ведущего штока и ведомой рейки расположены в сформированных для них полостях, полости косозубого зацепления и торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, два канала для перетока среды со стороны торца ведомой рейки в полость поршня, согласно полезной модели, один канал для перетока среды выполнен в виде кольцевой проточки на внешней поверхности втулки направляющей в месте соединения ее с заглушкой обтекателя, другой канал выполнен в виде проходных окон в обтекателе перед сепаратором по ходу движения поршня в теле обтекателя выполнена дополнительная кольцевая проточка с установленным в ней неподвижного кольца из износостойкого материала с низким коэффициентом трения со свойствами подшипника скольжения, с возможностью обеспечения центрирования поршня относительно оси его движения, а в сепараторе установлены вставки из материала с низким коэффициентом трения, поджатые винтами.
Выполнение одного канала в виде кольцевой проточки на внешней поверхности втулки направляющей в месте соединения ее с обтекателем, а другого канала в виде проходных окон в обтекателе обеспечивает увеличение диаметра проходного сечения для перетока среды, в результате чего снижается давление на контактирующие поверхности обтекателя и тем самым уменьшается их износ, что способствует повышению надежности конструкции клапана. При этом уменьшается масса корпуса клапана.
Выполнение перед сепаратором по ходу движения поршня в теле обтекателя дополнительной кольцевой проточки и установление в ней неподвижного кольца из износостойкого материала с низким коэффициентом трения со свойствами подшипника скольжения, обеспечивает центрирование поршня относительно оси его движения, снижается воспринимаемая манжетами нагрузка и тем самым уменьшается их износ, что повышает надежность конструкции клапана. Кольцо со свойствами подшипника скольжения также служит в качестве грязесъемника, которое исключает попадание содержащихся в рабочей среде механических примесей на уплотняющие поверхности рядом установленной манжеты.
Установление в сепараторе вставок из материала с низким коэффициентом трения и поджатие их винтами обеспечивает выравнивание оси поршня, что способствует равномерному распределению нагрузок на уплотнения и подшипники, в результате чего надежность конструкции регулирующего клапана повышается.
Регулирующий осесимметричный клапан осевого потока поясняется чертежами где:
на фиг. 1 - приведен регулирующий осесимметричный клапан осевого потока, общий вид, продольный разрез;
на фиг 2 - разрез А-А на фиг. 1, показан один из каналов, выполненный в виде проходных окон в обтекателе;
на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1, показана кольцевая проточка выполненная в сепараторе перед радиальными отверстиями с установленным в ней кольцом - подшипником скольжения, обладающего низким коэффициентом трения, и манжеты, установленные противоположно друг другу по обе стороны от кольца - подшипника скольжения, а также показаны установленные в сепараторе перед перфорированными отверстиями вставки из материала с низким коэффициентом трения, поджатые винтами;
на фиг. 4 - вид В на фиг. 1, показана дополнительная кольцевая проточка, выполненная в теле обтекателя перед сепаратором по ходу движения поршня с установленным в ней неподвижно кольцом из износостойкого материала с низким коэффициентом трения со свойствами подшипника скольжения.
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 - заглушка обтекателя
26 - уплотнение
27 - канал в виде кольцевой проточки
28 - проходные окна
29 - сальниковый узел
30 - кольцевая проточка
31 - кольцо - подшипник скольжения
32 - манжета
33 - манжета
34 - вставка
35 - винты
36 - кольцевая проточка
37 - кольцо-подшипник скольжения
Регулирующий осесимметричный клапан осевого потока 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 выполнен в виде реечного механизма и содержит ведущий шток 13, взаимодействующий посредством косозубого зацепления 14, с ведомой рейкой 15. Перемещение рейки 15 ограничено втулкой направляющей 16, зафиксированной в полости обтекателя 4. Во втулке направляющей 16 выполнены два взаимно перпендикулярных отверстия 17 и 18. Вертикальное отверстие 17 выполнено соосно отверстию 19, выполненному в корпусе 1, в них расположен ведущий шток 13. В горизонтальном отверстии 18 расположена ведомая рейка 15. Отверстие 18 между подвижным уплотнением 20 и неподвижным уплотнением 21 и отверстия 17 и 19 образуют полость 22 косозубого зацепления 14. Полость 22 изолирована уплотнительными элементами 23 и 24 от давления рабочей среды. Отверстие 18 во втулке направляющей 16 со стороны свободного торца ведомой рейки 15 изолировано от полости входного патрубка 2 заглушкой 25, установленной в обтекателе 4 с уплотнением 26, и соединено с полостью 11 поршня 10 двумя каналами 27 и 28 (фиг. 2). Один канал 27 выполнен в виде кольцевой проточки на внешней поверхности втулки направляющей 16 в месте соединения ее с заглушкой 25 обтекателя 4. Другой канал выполнен в виде проходных окон 28 в обтекателе 4. Канал 27 и проходные окна 28 служат для увеличения проходного сечения и перетока среды в большом объеме из внутреннего пространства втулки направляющей 16 и полости заглушки 25 в полость 11 поршня 10, а также для снижения массы корпуса 1 клапана. Для герметичности полости 22 косозубого зацепления 14 относительно внешней среды в корпусе 1 сверху отверстия 19 расположен сальниковый узел 29. 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 30 (фиг. 3). В проточке 30 установлено кольцо - подшипник скольжения 31, обладающего низким коэффициентом трения. Манжеты 32 и 33 установлены противоположно друг другу по обе стороны от кольца - подшипника скольжения 31. Кольцо - подшипник скольжения 31 центрирует поршень 10 относительно оси движения, снижает воспринимаемую манжетами 32 и 33 нагрузку и за счет низкого коэффициента трения уменьшает усилия, необходимые для перемещения поршня 10. В сепараторе 6 по ходу движения поршня 10 установлены вставки 34 из материала с низким коэффициентом трения. Вставки 34 поджаты винтами 35 (фиг. 3). Вставки 34 с низким коэффициентом трения обеспечивают выравнивание оси поршня 10, что способствует равномерному распределению нагрузок на уплотнения и подшипники-скольжения. Для более равномерного распределения нагрузок на уплотнения и подшипники вставки 34 расположены через каждые 15% по ходу движения поршня 10 и по диаметру через каждые 60 градусов.
По ходу движения поршня 10 перед сепаратором 6 в теле обтекателя 4 корпуса 1 выполнена дополнительная кольцевая проточка 36, в которой расположено неподвижно кольцо 37, выполненное из износостойкого материала с низким коэффициентом трения (фиг. 4) со свойствами подшипника скольжения, для обеспечения центрирования поршня 10 относительно оси его движения.
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 10 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 канала 5 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, а относительно внешней среды герметичность полости 22 косозубого зацепления 14 обеспечивается уплотняющим сальниковым узлом 29.
Двухсторонняя герметичность клапана в закрытом положении поршня 10 обеспечивается уплотнительным узлом, состоящим из кольца-подшипника скольжения 31 и манжет 32, 33.
Кольцо 37 со свойствами подшипника скольжения, установленное по ходу движения поршня перед сепаратором 6 в теле обтекателя 4 в кольцевой проточке 36, служит в качестве центрирующего органа поршня 10 относительно корпуса 1 при перемещении поршня 10 из положения «закрыто» в положение «открыто». Кольцо-подшипник скольжения 37 обеспечивает разгрузку усилий с манжет 32 и 33, тем самым уменьшает их износ.
Таким образом, результатом усовершенствования конструкции регулирующего осесимметричного клапана осевого потока является повышение надежности и долговечности конструкции клапана.