ОБРАТНЫЙ КЛАПАН
CHECK VALVE

Изобретение относится к промышленной трубопроводной арматуре, устанавливаемой в трубопроводах и предназначенной для недопущения изменения направления потока среды в технологической системе с обеспечением максимальной герметичности и ликвидации механических и гидравлических ударов при перекрытии проходного сечения в трубопроводе.
Известен вертикальный отсечной клапан (патент RU №2111400 С1), предназначенный для автоматического перекрытия трубопровода, в котором имеются корпус с вертикальным патрубком, седло, с входным и выходным отверстиями и установленным в нем с возможностью перемещения в вертикальном патрубке корпуса полый запорный элемент, выполненный в виде нагруженного пружиной сферического тела с отверстиями в верхней и нижней частях его поверхности, причем пружина, нагружающая сферическое тело, закреплена за верхнюю часть вертикального патрубка корпуса и нижнюю часть сферического тела и размещена в отверстии верхней части поверхности сферического тела, через которое полость тела сообщена с окружающей его полостью, при этом отверстия, выполненные в нижней части поверхности сферического тела, снабжены обратными клапанами, установленными с возможностью приема полного давления, а в исходном положении сферическое тело расположено в вертикальном патрубке корпуса.
Недостаток такого отсечного клапана заключается в том, что при прекращении рабочего потока через сечение клапана или значительное уменьшение рабочего давления запорный элемент может приоткрыть проходное сечение, т.к. на запорный элемент не будут воздействовать аэродинамические силы и пружина будет поднимать его вверх. Такой клапан не гарантирует максимальную герметичность проходного сечения.
Известен быстродействующий разгруженный отсечной клапан RZD-X-SAV фирмы Моквелд (Mokveld Valves bv, Голландия, 2010 г.), который состоит из наружного корпуса и внутреннего корпуса, находящегося в проходном сечении клапана и имеющий поршень, шток поршня, шпиндель клапана и седло.
Помимо положительных качеств клапан имеет и недостаток, заключающийся в том, что запорный элемент - поршень находится во внутреннем корпусе, создавая этим определенное гидравлическое сопротивление, а самый главный недостаток - клапан исключает возможность использовать технологические устройства, контролирующие состояние трубопровода, двигаясь внутри.
Известен обратный (затвор) клапан ПТ44016-700 (ПТ44016-1000), изготовитель ОАО «ПТПА» г.Пенза, в котором управление затвором осуществляется потоком рабочей среды: при отсутствии давления или наличии обратного потока рабочей среды диск поворачивается на оси, опускается на уплотнительную поверхность седла корпуса (под собственным весом или под действием обратного потока среды) и перекрывает проходное сечение затвора, создавая препятствие обратному потоку среды. В конструкции затвора применена подвеска диска на рычаге с применением упругого полимерного блока, схема контакта уплотнительных поверхностей - "плоскость по плоскости".
Недостаток такого затвора состоит в том, что в конструкции уплотнения «плоскость по плоскости» предусмотрены допустимые протечки, не обеспечивается приемлемый уровень достаточной герметичности, а также при эксплуатации такого затвора возникают механические удары затвора о седло, что приводит к разрушению трубопровода вследствие распространения ударной волны.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности и герметичности работы обратного и/или отсечного прямоточного клапана одновременно с «тихим» закрытием проходного сечения, работающего при больших давлениях в условиях высокой температуры рабочей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан содержит корпус, выполненный, преимущественно, в виде тела вращения, снабженный боковой дополнительной камерой, выполненной с возможностью размещения в ней рычага и затвора, причем корпус содержит седло клапана, контактирующая с затвором поверхность которого выполнена в виде участка конической поверхности, затвор выполнен в виде сектора шара с внешней и внутренней поверхностями, к внешней выпуклой поверхности затвора, вблизи оси симметрии шарнирно прикреплено одно плечо рычага с ограничением перемещения затвора относительно рычага, второе плечо рычага закреплено на оси внутри клапана, прикрепленной к корпусу клапана, и соединено с нелинейным демпфером. Демпфер выполнен обеспечивающим существенное увеличение момента сопротивления перемещению рычага в положении рычага, близкого к граничному в закрытом состоянии клапана. В частном случае реализации нелинейный демпфер может быть выполнен обеспечивающим существенное увеличение момента сопротивления на крайних 10% углового хода рычага, по крайней мере, в закрытом состоянии клапана. Также существенное увеличение момента сопротивления может составлять не менее 3,5 раз от формируемого демпфером момента сопротивления в средней точке хода рычага.
В частном случае реализации клапан содержит упругий элемент, обеспечивающий возможность герметичного прижатия затвора к седлу, при заранее заданном потоке среды внутри клапана. Боковая поверхность затвора между внешней и внутренней поверхностями сегмента шара может быть выполнена закругленной.
Также боковая поверхность затвора между внешней и внутренней поверхностями сегмента шара может быть выполнена имеющей форму указанной выше конической поверхности, то есть поверхности затвора и седла клапана выполнены взаимосопряженными.
Также боковая поверхность затвора клапана может содержать уплотнительный элемент, выполненный с возможностью обеспечения герметичности при малых разностях давления среды перед и после затвора, например 10 мбар и ниже.
На Фиг.1 представлено сечение обратного клапана, находящегося в положении «открыто», снабженного нелинейным демпфером (демпфирующим элементом).
На Фиг.2 представлено сечение обратного клапана, находящегося в положении «закрыто», снабженного нелинейным демпфером (демпфирующим элементом).
На Фиг.3 представлен вид контакта сферической поверхности затвора с конической поверхностью седла.
На Фиг.4 представлен вид крепления затвора, закрепленного на рычаге.
На Фиг.5 представлен вариант выполнения затвора с пластинчатыми пружинами.
Клапан (Фиг.1, 2) состоит из корпуса 1, крышки 2, демпфера 3, установочного кольца 4, седла 5 с внутренней поверхностью 6 в виде усеченного конуса, резьбового крепления 7, жестко соединяющего седло 5 и установочное кольцо 4 с корпусом 1, рычага 8, закрепленного на оси 9, затвора 10 с его внешней выпуклой стороны (Фиг.2, 3 и 5), выполненного в виде сектора шара с боковой поверхностью 11, выполненной таким образом, что поверхность контакта затвора с седлом расположена, преимущественно, между внутренней и наружной стенками сегмента. В частном случае поперечный профиль боковой поверхности может быть выполнен закругленным, как это показано на Фиг.3, или в виде участка конической поверхности, повторяющей коническую поверхность седла. Устройство также содержит шпильку 12 (Фиг.4) крепления затвора к рычагу 8 через шарнирный подшипник 13, зафиксированный стопорным кольцом 14, защитного фланца 15, гайки 16 с резиновым амортизатором, заглушки 17, кольца с тремя и более пластинчатыми пружинами 18 (фиг.5), закрепленного на рычаге 8, и уплотнительных колец 19.
В частном случае реализации клапан может содержать упругий элемент, обеспечивающий возможность герметичного прижатия затвора к седлу при заранее заданном потоке среды внутри клапана.
Клапан содержит нелинейный демпфер (фиг.1 и 2), обеспечивающий торможение затвора перед его контактом с седлом, а также, в частном случае, предохраняющим клапан от механических ударов, при крайнем положении рычага в открытом состоянии клапана. В последнем случае демпфер может содержать упругий элемент, соприкасающийся со штоком в конце его хода. Демпфер состоит из направляющего цилиндра 20, имеющего демпфирующее отверстие 21, цилиндр торможения 22 и ось 23, закрепленную при помощи планки 24 к крышке 2, направляющую втулку 25 и тормозную втулку 26, закрепленные на штоком 27, связанного через ось 28 с проушиной 29 рычага 8, крышки 30.
В частном случае реализации боковая поверхность затвора клапана может содержать уплотнительный элемент, выполненный с возможностью обеспечения герметичности при малых прямых потоках, например, возникающих при малых перепадах давления по обе стороны затвора. Уплотнение может быть выполнено, например, в виде выступающей из боковой поверхности манжеты.
Обратный клапан работает следующим образом.
Управление затвором осуществляется, преимущественно, потоком рабочей среды. При наличии прямого потока затвор перемещается в направлении от седла и существенно не препятствует протеканию рабочей среды через клапан. При отсутствии прямого потока или наличии обратного потока рабочей среды затвор 10 поворачивается на оси 9, и, преодолевая сопротивление демпфера, плавно опускается на уплотнительную поверхность 6 седла 5 корпуса 1 (под собственным весом или под действием обратного потока среды). В результате перекрывается проходное сечение клапана затвором и прекращается протекание среды через клапан. Демпфирующий блок 3 обеспечивает плавное перекрытие потока рабочей среды при больших проходных сечениях клапана, когда затвор перемещается под действием потока или гидродинамических сил, формирующих малую разность давлений между лицевой и тыльной поверхностями затвора. Пластинчатые пружины 18 создают определенное положение затвора 10 при контакте боковой поверхности 11 с внутренней поверхностью 6 седла 5 и предотвращает возможные автоколебания затвора 10. При почти полном закрытии клапана разность давлений возрастает, возрастает и скорость перемещения затвора. Однако, при этом к краям затвора прикладываются гидродинамические силы, незначительно деформирующие затвор. После соприкосновения краев затвора 10 и седла 5 происходит обратная деформация, частично нейтрализующая последствия удара затвора о седло.
Для плавного закрытия проходного сечения, на заданном расстоянии, перед контактом затвора 10 с седлом 5 происходит вхождение тормозной втулки 26 в цилиндр торможения 22, из которого рабочая среда с определенной скоростью будет выходить через демпфирующее отверстие 21, которое обеспечит плавный ход штока 27, непосредственно связанного через ось 28 и проушину 29 с рычагом 8.
Таким образом обеспечивается безударное и плавное закрытие клапана под воздействием обратного потока.
Возможность использования устройства в виде отсечного клапана обеспечивается либо силами гравитации, прижимающими затвор к седлу, либо упругим элементом, обеспечивающим возможность герметичного прижатия затвора к седлу при заранее заданном потоке среды внутри клапана. Упругий элемент может быть выполнен в виде пружины, установленной на оси.
Соединение затвора 10 с рычагом 8 при помощи шарнирного подшипника 13, имеющего некоторую свободу вращения благодаря небольшому зазору с защитным фланцем 15, обеспечивает герметичный контакт поверхности 11 с конической поверхностью 6 седла 5.
Основное преимущество клапана состоит в наличии герметичного контакта боковой поверхности затвора с конической поверхностью седла, обеспечивающее надежное перекрытие любой рабочей среды в трубопроводе без протечек. Указанное преимущество достигается за счет возможности пластической деформации затвора с обеспечением перемещения отдельных участков боковой поверхности затвора как в осевом, так и в поперечном направлениях, и плавное закрытие проходного сечения непосредственно перед контактом с седлом. Плавное закрытие проходного сечения клапана обеспечивает целостность трубопровода, предохраняя его от недопустимых вибраций рабочей среды, формирущихся при более быстром закрытии клапана, что увеличивает надежность и безопасность эксплуатации трубопровода. Такое плавное закрытие проходного сечения клапана также исключает возможность разрушения самого трубопровода от вибрации при резком контакте затвора с седлом.
Также конструкция клапана позволяет использовать в качестве уплотнений высокотемпературные графитовые материалы, что расширяет технические возможности предлагаемого клапана.
В случае существенных отклонений поперечного сечения седла клапана от круглой формы сферическая форма затвора позволяет затвору менять форму в продольном направлении, обеспечивая герметичность контакта.
Конструкция клапана позволяет установить на боковой поверхности кольцевое армированное уплотнение для гарантированного перекрытия проходного сечения при малых давлениеях рабочего потока.
В случае тепловой деформации затвора или других элементов отсечного клапана, вызванной неравномерностью температур в пределах потока, кран обеспечивает сопряжение элементов без потери надежности относительно известных устройств.
Также экспериментальным путем установлено, что кран обеспечивает защиту от автоколебаний при малых расходах среды, протекающей в прямом направлении.