ШАРОВОЙ КРАН СИСТЕМЫ ОВАНДЕР
GLOBE VALVE OF OVANDER SYSTEM

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может использоваться в трубопроводных системах нефти- и газопроводов, водоснабжения и множестве других гидравлических устройств.
Известны шаровые краны, содержащие корпус с одной или двумя крышками с каналами для прохода жидкости, шаровой затвор с проходным каналом и управляющим шпинделем, плавающий между двумя седлами, размещенными в крышках или корпусе в стыках каналов с затвором. (См. книгу А.Ф.Быкова «Арматура с шаровым затвором для гидравлических систем», М., Машиностроение, 1971 г., стр.8, рис.1.) Их недостатками являются:
- малые допустимые диаметры проходных каналов и перепады давлений жидкости, связанные с опасностью перегрузки материала седел, на которые действует вся нагрузка на шаровой затвор от перепада давления жидкости, и с возможностью выдавливания седел из их посадочных мест силами от перепада давления жидкости на седлах;
- большая трудоемкость изготовления, определяемая необходимостью для обеспечения герметичности затвора высокой точности изготовления его шаровой поверхности и жестко нормированного натяга между седлами и затвором;
- высокий и нестабильный момент на управляющем шпинделе от трения затвора по седлам при малых перепадах давления жидкости из-за большой жесткости седел и изменения их натяга с затвором при их тепловом расширении и изнашивании;
- невысокий ресурс работы, определяемый малым запасом на износ седел от трения и потока жидкости.
Известны принятые за прототип шаровые краны, содержащие корпус с одной или двумя крышками с каналами для прохода жидкости, шаровой затвор с проходным каналом и управляющим шпинделем, плавающий между двумя седлами из элементов с высокой и низкой жесткостью, размещенными в крышках или корпусе в стыках каналов с затвором. (См. статью Рафаэля Ангелини «Шаровые краны для тяжелых условий эксплуатации» в журнале «Арматуростроение» №2, 2006 г., стр.42, рис.1.) Такие краны, благодаря выполнению седел из чередующихся слоев жестких элементов (стальных дисков) и мягких элементов (междисковых слоев графита), имеют повышенный ресурс работы в тяжелых условиях эксплуатации. Остальные недостатки, перечисленные у выше приведенного аналога, сохраняются и у этого прототипа, так как в нем жесткие элементы не выполняют функции опоры затвора, а лишь усиливают мягкие элементы, повышая их жесткость и, соответственно, снижая герметизирующую способность.
Цель изобретения - повышение допустимых диаметров проходных каналов и перепадов давления жидкости, снижение трудоемкости изготовления, уменьшение момента на управляющем шпинделе, повышение ресурса работы шарового крана.
Поставленная цель достигается тем, что в шаровом кране, содержащем корпус с одной или двумя крышками с каналами для прохода жидкости, шаровой затвор с проходным каналом и управляющим шпинделем, плавающий между двумя седлами из элементов с высокой и низкой жесткостью, размещенными в крышках или корпусе в стыках каналов с затвором, согласно изобретению жесткий элемент седла выполнен в виде кольца из жесткого и прочного материала с антифрикционными свойствами на поверхности контакта с затвором и установлен без начального натяга по затвору, а мягкий элемент седла расположен на наружной поверхности жесткого элемента и выполнен в виде фланцевой манжеты, лопасть которой имеет натяг по шаровому затвору, а фланцевая часть размещена с диаметральным натягом в охватывающей ее расточке корпуса или крышки.
Такое техническое решение за счет разделения опорной и уплотнительной функций седла между жестким опорным кольцом из высокопрочного материала и мягкой уплотнительной манжетой позволяет многократно увеличить допустимые нагрузки на седло и, соответственно, допустимые перепады давления жидкости и допустимые диаметры проходных каналов. Трудоемкость изготовления шарового крана снижается благодаря замене многоэлементного седла на конструкцию из двух деталей. Этому способствует и то, что жесткий опорный элемент одновременно выполняет функцию фиксатора манжеты в ее посадочном месте. Использование мягкой манжеты с натягом по затвору в основном за счет растяжения ее лопасти по диаметру, а не сжатию по сечению, как в прототипе обеспечивает более пологую зависимость ее сил на контакте с затвором от деформации лопасти и лучшую компенсацию погрешностей формы и взаимного положения контактирующих поверхностей, что снижает требования к точности изготовления затвора и величине натяга между ним и манжетой, уменьшает трение манжеты о затвор и момент на управляющем шпинделе, а также увеличивает запас на износ манжеты и, соответственно, повышает ресурс работы шарового крана. Повышение ресурса также достигается благодаря защитному действию опорных колец, препятствующих экструзии мягких манжет в зазоры между затвором и крышками под действием давления жидкости.
На чертеже представлена конструкция заявленного шарового крана. Он состоит из корпуса 1 с крышкой 2, имеющих каналы 3 для прохода жидкости, шарового затвора 4 с проходным каналом 5 и управляющим шпинделем 6, плавающего между двумя седлами из жестких 7 и мягких 8 элементов. Жесткий элемент выполнен в виде опорного кольца из жесткого и прочного материала, например бронзы или стали, с бронзофторопластовым покрытием поверхности 9, контактирующей с затвором, и установлен без начального натяга к поверхности затвора. Мягкий элемент расположен на наружной поверхности 10 жесткого элемента и представляет собой фланцевую уплотнительную манжету, например из фторопласта, с лопастью 11 и фланцем 12. Лопасть манжеты имеет натяг по затвору, а фланцевая часть размещена с диаметральным натягом в охватывающей ее расточке 13 корпуса или крышки.
Шаровой кран работает следующим образом. В открытом положении затвора, когда оси каналов в корпусе, крышке и затворе совпадают, жидкость свободно проходит через кран. При повороте затвора на 90 градусов каналы в корпусе и крышке перекрываются сплошной частью поверхности шарового затвора. Под действием перепада давления плавающий между седлами затвор смещается в сторону действия давления и прижимается к опорному кольцу седла, расположенного за затвором. При этом в седле перед затвором между опорным кольцом и затвором образуется зазор, в который проходит жидкость и, воздействуя на тыльную сторону манжеты этого седла, отжимает ее лопасть от затвора и подходит к манжете, расположенной за затвором. Эта манжета воспринимает давление своей передней частью и надежно герметизирует затвор при низких и высоких давлениях жидкости, так как опирается на опорное кольцо, беззазорно контактирующее с затвором и выполняющее функцию антиэкструзионной защиты манжеты. Благодаря наличию утолщенной фланцевой части, расположенной с диаметральным натягом в охватывающей ее расточке корпуса или крышки, манжеты седел надежно удерживается от уноса потоком жидкости в моменты закрытия и открытия крана.
Технический результат предлагаемого шарового крана по сравнению с базовым объектом, за который принят прототип, заключается в многократном увеличении допустимых диаметров проходных каналов и перепадов давления жидкости, а также ресурса его работы при одновременном существенном снижении трудоемкости изготовления и момента на управляющем шпинделе.