КЛАПАН РАЗГРУЖЕННЫЙ СИЛЬФОННЫЙ С ПОДАЧЕЙ СРЕДЫ ПОД ЗОЛОТНИК

Полезная модель относится к общему машиностроению, в частности к клапанамс сильфонным уплотнением штока.
Известен клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, разгруженный запорный элемент, выполненный в виде плунжера, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения относительно поверхности цилиндрического вкладыша, закрепленного в корпусе клапана, уплотнительные элементы, обеспечивающие герметичное перемещение плунжера, в виде двух одинаковых сильфонов, установленных коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом, нижняя часть нижнего сильфона герметично соединена с верхней частью вкладыша, верхняя часть нижнего сильфона и нижняя часть верхнего сильфона герметично соединены с верхней частью плунжера, верхняя часть верхнего сильфона герметично соединена с введенным в конструкцию фланцем, образуя единую выемную часть клапана, причем при открытом положении клапана нижний сильфон находится в разгруженном состоянии, верхний сильфон сжат на величину рабочего хода клапана, а фланец герметично соединен с корпусомклапана, соединенного с приводом, при этом в цилиндре вкладыша выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полостей входного и выходного отверстий клапана (Свидетельство Российской Федерации на изобретение №2298127, 2005 г., по кл. МПК F16K 41/10).
Однако клапан этой конструкции имеет ряд недостатков: сильфонная сборка клапана, обеспечивающая разгрузку золотника, состоит из большого количества соединенных между собой деталей, что понижает надежность при эксплуатации клапана и усложняет сборку; расположение двух одинаковых сильфонов, установленных коаксиально относительно корпуса клапана и последовательно друг за другом, существенно увеличивает габарит клапана.
Задачей полезной модели является создание клапана для различных рабочих сред, в том числе и агрессивных, с широким диапазоном рабочих температур, от минус 260°С до плюс 550°С, позволяющего использовать его в системах с высоким рабочим давлением, надежногопри эксплуатации и простого при сборке, снижение усилия привода необходимого для закрытия и обеспечения надежной герметизации клапана, уменьшение габаритного размера клапана.
Поставленная задача решается:
- применением сильфонной сборки, состоящей из двух сильфонов разных по диаметру, расположенных один внутри другого, образующих полость, разгружающую золотник, что позволяет использовать клапан для различных рабочих сред, в том числе и агрессивных, с широким диапазоном рабочих температур, от минус 260°С до плюс 550°С, в том числе для систем с высоким рабочим давлением;
- использованием сильфоннойсборки с минимальным количеством составных деталей, состоящей из двух сильфонов разных по диаметру, расположенных один внутри другого, при этом эффективный диаметр внутреннего сильфона меньше диаметра уплотнения, а эффективный диаметр наружного сильфона больше диаметра уплотнения, а золотник имеет отверстия, соединяющие внутреннюю полость наружного сильфона с полостью входного патрубка в закрытом положении клапана, что приводит к возникновению усилия от действия давления рабочей среды в направлении закрытия клапана и снижает усилие привода необходимое для закрытия и обеспечения надежной герметизации клапана, что в свою очередь приводит к возможности применения привода меньшего типоразмера с меньшими габаритами и энергопотреблением;
- размещением одного сильфона внутри другого, что приводит к уменьшению габарита клапана.
Клапан разгруженный сильфонный с подачей среды под золотник представлен на фиг.1, где:
1 - корпус, 2 - золотник, 3 - наружный сильфон, 4 - внутренний сильфон, 5 - шток, 6 - втулка, 7 - втулка, 8 - привод, А - полость входного патрубка, Б - внутренняя полость наружного сильфона, В - внутренняя полость внутреннего сильфона, Г - внутренняя полость выходного патрубка.
Клапан разгруженный сильфонный с подачей среды под золотникработает следующим образом.
1
2
3
Рабочая среда подается только в одном направлении - под золотник 2 клапана. В открытом положении клапана золотник 2 находится в верхнем положении, упираясь во втулку 6, наружный сильфон 3 и внутренний сильфон 4 сжаты, полости А, Б, Г находятся под давлением рабочей среды, в полости В давление равно давлению окружающей среды, при этом на шток 5 действуют силы F, F и F.
1
F - сила созданная перепадом давления между полостями Б и В, равная произведению разницы давлений в этих полостях и эффективной площади внутреннего сильфона 4 и действующая в направлении открытия клапана.
где:
Б
Р - давление в полости Б;
В
Р - давление в полости В;
1
S - эффективная площадь внутреннего сильфона 4.
2
F - сила вызванная упругим поджатием наружного сильфона 3, равная произведению жесткости наружного сильфона 3 и величины поджатия наружного сильфона 3 в открытом положении клапана и действующая в направлении закрытия клапана.
где:
1
C - жесткость наружного сильфона 3;
1
h - величина поджатия наружного сильфона 3 в открытом положении клапана.
3
F - сила вызванная упругим поджатием внутреннего сильфона 4, равная произведению жесткости внутреннего сильфона 4 и величины поджатия внутреннего сильфона 4 в открытом положении клапана и действующая в направлении закрытия клапана.
где:
2
С - жесткость внутреннего сильфона 3;
2
h - величина поджатия внутреннего сильфона 4 в открытом положении клапана.
отк
Таким образом, в открытом положении клапана на шток действует сила F:
2
3
Из уравнения (4) видно, что силы Fи F способствуют закрытию клапана в открытом положении при подаче среды под золотник 2 клапана.
1
4
5
6
7
Под действием привода 6 шток 5 перемещает золотник 2 в закрытое положение. В закрытом положении клапана золотник 2 касается уплотнительной поверхности корпуса 1, наружный сильфон 3 и внутренний сильфон 4 незначительно сжаты, полости А, Б, соединенные между собой отверстиями в золотнике 2, находятся под давлением рабочей среды, в полости В давление равно давлению окружающей среды, в полости Г давление равно разнице давления рабочей среды и рабочего перепада давления клапана. На шток 5 действуют силы F, F, F, F, и F.
4
F - сила вызванная упругим поджатием наружного сильфона 3, равная произведению жесткости наружного сильфона 3 и величины поджатия наружного сильфона 3 в закрытом положении клапана и действующая в направлении закрытия клапана.
где:
3
h - величина поджатия наружного сильфона 3 в закрытом положении клапана.
5
F - сила вызванная упругим поджатием внутреннего сильфона 4, равная произведению жесткости внутреннего сильфона 4 и величины поджатия внутреннего сильфона 4 в закрытом положении клапана и действующая в направлении закрытия клапана.
где:
4
h - величина поджатия внутреннего сильфона 4 в закрытом положении клапана.
6
F - сила созданная перепадом давления между полостями Б и Г, равная произведению рабочего перепада давления клапана и эффективной площади наружного сильфона 3, за вычетом площади окружности диаметром уплотнения, действующая в направлении закрытия клапана.
где:
ΔР - рабочий перепад давления клапана;
2
S - эффективная площадь наружного сильфона 3;
упл
D - диаметр уплотнения клапана.
7
F - сила созданная приводом, и необходимая для обеспечения герметичности в затворе.
закр
Таким образом, в закрытом положении клапана на шток действует сила F:
(8)
6
Из уравнения (8) видно, что сила F, образующаяся за счет создания полости Б, способствует закрытию клапана в закрытом положении при подаче среды под золотник 2 клапана.
7
7
При давлении рабочей среды до 1,5 МПа и номинальном диаметре клапана DN 32 данная конструкция позволяет уменьшить силу F в 1,4 раза. С увеличением рабочего давления и номинального диаметра клапана этот эффект увеличивается, так например, для клапана с давлением рабочей среды 10 МПа и номинальным диаметром DN 50 необходимая сила F уменьшается в 2,7 раза.
Предложенная конструкция позволяет использовать клапан для различных рабочих сред, в том числе и агрессивных, с широким диапазоном рабочих температур, от минус 260°С до плюс 550°С, и в системах с высоким рабочим давлением за счет применениясильфона, образующего полость, разгружающую золотник, в качестве уплотняющего элемента подвижного соединения клапана. Также использование сильфонной сборки с минимальным количеством составных деталей, состоящей из двух сильфонов разных по диаметру, расположенных один внутри другого, при этом эффективный диаметр внутреннего сильфона меньше диаметра уплотнения, а эффективный диаметр наружного сильфона больше диаметра уплотнения, а золотник имеет отверстия, соединяющие внутреннюю полость наружного сильфона с полостью входного патрубка в закрытом положении клапана, приводит к возникновению усилия от действия рабочей среды в направлении закрытия клапана и снижает усилие привода необходимое для закрытия и обеспечения надежной герметизации клапана, что в свою очередь приводит к возможности применения привода меньшего типа размера с меньшими габаритами и энергопотреблением.