ЗАТВОР ДИСКОВЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ
CONTROL DISK GATE

Изобретение относится к запорной и регулирующей арматуре, в частности к затворам.
Известен затвор дисковый (заслонка), содержащий корпус, поворотный диск, связанный со штоком, уплотнительные элементы штока и поворотного диска (см. кн. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1981, с.97-101).
Недостатком данной конструкции является то, что для регулирования расхода рабочей среды не обеспечивается равномерность или заданная расходная характеристика, особенно в момент открытия, закрытия затвора (нелинейность первые 15-20° поворота диска). Кроме того, при повышенных перепадах на затворе и при больших габаритах затвора необходимо увеличивать толщину поворотного диска, что значительно увеличивает сопротивление потоку и снижает на 20-40% коэффициент расхода затвора, что требует дополнительного увеличения его габаритов для обеспечения больших расходов среды. Для обеспечения регламентированной протечки в закрытом положении затвор должен иметь сложный с точки зрения изготовления уплотнительный узел, особенно при повышенных температурах рабочей среды, если диск установлен просто в трубе с зазором, протечка рабочей среды значительна.
Задачами изобретения являются: упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения более широкого диапазона, заданного закона регулирования, плавности регулирования, снижение уровня шума и эрозионного износа элементов затвора потоком среды в момент открытия и закрытия его, упрощение технологии изготовления, увеличение коэффициента расхода для крупногабаритных затворов и при больших перепадах давления на поворотном диске.
Поставленная задача достигается тем, что в затворе дисковом регулирующем, содержащем затвор, корпус с входным и выходным отверстиями, поворотный диск, связанный со штоком, уплотнительные элементы штока, поворотный диск выполнен в виде жесткой пространственной конструкции из параллельно расположенных перпендикулярно оси корпуса с зазором и связанных элементами связи двух наружных непроницаемых и минимум одного внутреннего с частичной или полной перфорацией проницаемых тонкостенных дисков, а элементы связи выполнены в виде перегородок, сотовых блоков, жесткого пористого материала на основе дублирования открытоячеистого пенополиуретана и расположены так, что при полном открытии затвора образуют сквозные каналы для протока рабочей среды, причем наружная поверхность тонкостенных дисков и перегородок выполнена сферической с равным радиусом и обращена к сферической поверхности большего радиуса вставок, установленных соосно в корпусе и с зазором с обеих сторон от поворотного диска, который выбирают из условия, что протечка среды меньше допустимой, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды, меньше допустимой для материалов поверхностей подвижного диска, перегородок, вставок для данной среды по стойкости к эрозионному износу, кроме того:
- внутренние тонкостенные диски выполнены в виде жесткого пористого материала на основе дублирования открытоячеистого пенополиуретана;
- размер сот, пор элементов связи, расположенных между разными тонкостенными дисками, увеличивают в направлении от наружных непроницаемых тонкостенных дисков.
Сущность изобретения заключается в том, что применение жесткой пространственной конструкции с продольными каналами для протока среды придает конструкции поворотного диска прочность и одновременно большую проницаемость в открытом положении, что снижает сопротивление потоку среды, образованы каналы прохода среды в толщине поворотного диска, выполнение сопряжения подвижного диска с зазором по отношению к поверхностям вставок, обеспечивает значительное сопротивление потоку среды при закрытом положении (большая протяженность канала), что исключает другие уплотнения и обеспечивает равномерную гидравлическую характеристику затвора.
На фиг.1, 2 показаны фронтальный и профильный разрезы затвора, на фиг.3, 4, 5 - горизонтальные разрезы затвора, фиг.3 - затвор закрыт, фиг.4 - затвор приоткрыт, фиг.5 - затвор открыт, на фиг.6, 7 - фронтальный разрез затвора с различными элементами связи.
Затвор дисковый регулирующий содержит корпус К1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями, поворотный диск ПД4, связанный со штоком 5, 6 - уплотнительные элементы штока 5. ПД4 выполнен в виде жесткой пространственной конструкции из параллельно расположенных перпендикулярно оси К1 с зазором и связанных элементами связи ЭС7 двух наружных непроницаемых тонкостенных дисков НТД8 и минимум одного внутреннего диска ВТД9 с частичной или полной перфорацией отверстиями. ЭС7 выполнены в виде перегородок (фиг.1…5), расположенных между НТД8 и ВТД9, так, что при полном открытии затвора образуют сквозные каналы 10 для протока рабочей среды. ЭС7 выполнены в виде сотовых блоков (фиг.6), расположенных между НТД8 и ВТД9, так, что при полном открытии затвора образуют сквозные каналы для протока рабочей среды через каналы сот. ЭС7 выполнены (фиг.7) в виде жесткого пористого материала (ВПЯМ) на основе дублирования открытоячеистого пенополиуретана, например из никеля (пеноникель) (см. Пористые проницаемые материалы. Справочник. Под ред. Белова С.В. - М.: Металлургия, 1987, 383 с.). Это может быть тугоплавкий керамический и металлический материал. Отличие этого материала от всех известных в том, что пористость его составляет до 95…98%, а внутренняя структура имеет канальную пористость. Материал обладает очень низким сопротивлением потоку среды.
ВТД9 выполнены в виде жесткого пористого материала (ВПЯМ) на основе дублирования открытоячеистого пенополиуретана, например из никеля (пеноникель), оксида алюминия.
Наружная поверхность ВТД9, НТД8, ЭС7 выполнена сферической равного радиуса R и обращена к сферической поверхности СП11 с радиусом R1 (R1>R) вставок В12, установленных соосно в К1 и с зазором с обеих сторон от ПД4. Зазор равен R1-R. Зазор между ПД4 (НТД8, ВТД9, ЭС7) и В12 выбирают из условий:
- протечка среды меньше допустимой;
- скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды;
- скорость потока данной среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей ПД4, ЭС7, В12 по стойкости к эрозионному износу. Перфорационные отверстия ПО 13 выполнены в ВТД9. 14 - С-образные упоры крайнего положения имеют дополнительную функцию частичного уплотнения ПД4 в закрытом положении. Размер сот, пор ЭС7, расположенных между разными ВТД9, НТД8, увеличивают в направлении от НТД8. Чем меньше размер пор, тем больше вязкостное трение и сопротивление потоку среды.
Работа затвора дискового регулирующего. В исходном положении затвор закрыт (фиг.1, 2, 3). При повороте штока 5 поворачивается ПД4 (фиг.4). Поток среды проходит по сквозным каналам, образованным НТД8, ВТД9 и ЭС7, т.к. ВТД9 перфорированные, то среда перетекает по сложной криволинейной траектории и за счет вязкостного трения и гидродинамического гашения скорости потока обеспечивается на данном этапе значительное сопротивление потоку и плавность увеличения расхода среды по мере открытия ПД4. Подбором количества, диаметра, расположения ПО13 ВТД9, различных ЭС7 можно обеспечить любую гидравлическую характеристику затвора. При полном открытии затвора (фиг.5) сопротивление потоку среды крайне мало, т.к. среда движется по сквозным каналам между НТД8, ВТД9 и ЭС7 по кратчайшему пути. При полном закрытии затвора (фиг.1, 2, 3) сопротивление потоку среды наибольшее, т.к. среда движется через зазор между ЭС7, НТД8, ВТД9 и СП11 В12, который задают при изготовлении из условий: протечка среды меньше допустимой, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды, скорость потока данной среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей ПД4, ЭС7, В12 по стойкости к эрозионному износу. Прочность ПД4, который испытывает максимальные нагрузки при закрытии, обеспечивается его пространственной сотовой (ребристо-решетчатой) конструкцией.
Выполнение ЭС7 в виде сотовых блоков (фиг.6), расположенных между НТД8 и ВТД9, так, что при полном открытии затвора образуются сквозные каналы для протока рабочей среды через каналы сот, обеспечивает высокую жесткость и прочность конструкции и наименьшее сопротивление потоку при открытом ПД4.
Выполнение ЭС7, ВТД9 (фиг.7) из жесткого пористого материала (ВПЯМ) на основе дублирования открытоячеистого пенополиуретана и обеспечивает простоту конструкции, т.к. материал недорогой и доступный, обладает канальной пористостью, обеспечивает высокую жесткость и прочность конструкции и малое сопротивление потоку при открытом ПД4.
Изменение размера сот, пор ЭС7, расположенных между разными НТД8, ВТД9 с увеличением в направлении от наружных НТД8, позволяет обеспечить наибольшее сопротивление потоку в начальный момент открытия ПД4, более мелкопористый материал имеет большее гидравлическое сопротивление за счет вязкостного трения. Конструкция затвора обладает простотой, т.к. использованы готовые, пористые материалы открытоячеистой структуры, которые обычно применяют в области фильтрации, авиационном производстве (сотовые материалы), поэтому нет необходимости в технологических операциях сверления, прошивки отверстий (упрощена технология изготовления).
Обычно попадание нескольких абразивных частиц в зону регулирования затвора приводит к выходу его из строя. В данном случае затвор имеет преимущество, т.к. проницаемые элементы дросселирования одновременно являются и фильтрующими элементами (особенно крупных частиц) в момент открытия и закрытия ПД4, при этом абразивные частицы поглощаются ЭС7 и не повреждают детали затвора.
Примененный принцип вязкостного трения и гидродинамического гашения скорости потока сводит к минимуму износ элементов затвора в моменты открытия и закрытия из-за низких скоростей потока среды (ламиниризация). Затвор обладает чрезвычайно низким уровнем шума и может быть использован на кораблях, подводных лодках, химических производствах, устройствах с регламентированным низким уровнем шума. Затвор стабилизирует поток среды на выходе за счет интенсивного дробления потока в моменты открытия и закрытия, когда имеют место наибольшие скорости потока среды, и при полном открытии.
Затвор обладает расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения широкого диапазона, разнообразия возможных характеристик регулирования в областях малых и больших расходов среды. Изменением конструктивных элементов затвора можно достичь любой гидравлической характеристики и заданного уровня шума. Решение такой задачи возможно путем компьютерного гидрогазодинамического моделирования с применением программных комплексов Star CD, CFX.
Данный затвор может быть использован в гидравлических, пневматических устройствах различных отраслей промышленности, в военных целях, медицине.