УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FACILITY FOR CONTROL OF FLUID MEDIUM FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для регулирования потока текучей среды, более конкретно к уплотнению, предназначенному для взаимодействия с применяемым в указанных устройствах регулирующим (дроссельным) элементом.
Уровень техники
Для регулирования параметров потока текучей среды, проходящего через трубу, обычно применяют специальные устройства соответствующего назначения. К указанным устройствам относятся, например, регулирующие клапаны и регуляторы. Типичное устройство такого типа содержит корпус клапана, имеющий вход, выход и проходящий от входа до выхода канал для формирования траектории текучей среды. К корпусу присоединено кольцо седла клапана с отверстием, через которое проходит траектория потока. Кроме того, имеется регулирующий элемент, например затвор, позиционируемый (переставляемый) относительно кольца седла и изменяющий, таким образом, поток текучей среды через указанное отверстие.
В известных устройствах, предназначенных для регулирования потока текучей среды, используется узел в виде стакана, в котором так называемая клетка служит для направленного перемещения регулирующего элемента. Клетка имеет внутренний канал, в который может быть установлен регулирующий элемент, а также, по меньшей мере, один проход, через который проходит траектория потока. Для регулирующего элемента предусмотрена возможность перемещения к положению запирания, в котором он перекрывает, по меньшей мере, один проход через клетку. Однако между наружной поверхностью регулирующего элемента и поверхностью внутреннего канала клетки вследствие допусков при механической обработке образуется тонкий кольцевой зазор, через который может произойти утечка текучей среды. Тем самым в ситуации, когда устройство считается находящимся в положении запирания, образуется потенциальный источник утечки. Как правило, для полного запирания устройства на нижней кромке регулирующего элемента создают закрывающее усилие, прикладываемое исполнительным механизмом к кольцу седла. Тем самым в устройстве обеспечивается наличие главного уплотнения.
Обычные главные уплотнения, сформированные посредством вдавливания регулирующего элемента в кольцо седла клапана, имеют тенденцию к протечкам. Основной путь утечки, который образуется в воздушном промежутке между регулирующим элементом и клеткой, идет от прохода клетки до отверстия кольца седла. Давление текучей среды перед главным уплотнением создает на нем перепад давлений. В результате любой дефект сопрягаемых поверхностей или какие-либо другие повреждения уплотнения создадут возможность утечки текучей среды в ситуации, когда регулирующий элемент находится в положении запирания. Такие утечки могут приводить к эрозии седла клапана, увеличивая тем самым поток утечки, а это в свою очередь усиливает эрозию седла.
Проблемы утечки и эрозии проявляются даже в большей степени, когда устройство для регулирования текучей среды применяют в эрозионной среде. В определенных приложениях, например при использовании клапанов для регулирования водяного потока, поступающего в паровой котел на электростанции, имеет место тенденция ускорения эрозии главного уплотнения. На предыдущих этапах развития отрасли, когда процедура запуска электростанции производилась в течение каждого года всего лишь несколько раз, причем станция работала обычно 24 часа в сутки, приложения, связанные с электростанциями, носили фактически неэрозионный характер. В более поздние годы запуски станций стали производиться ежедневно, причем станции функционируют только во время часов пиковой нагрузки в дневное время. В результате при расширении и сжатии труб во время периодов ежедневных нагревов и охлаждений образовавшиеся внутри труб отложения имеют тенденцию разрыхляться и обваливаться. Частицы таких разрыхленных отложений имеют высокую твердость и могут увлекаться потоком текучей среды при его прохождении через трубу и сквозь любые устройства для регулирования указанной среды, размещенные в системе. Скорость воды, которая приходит через трубы, используемые для подачи в паровые котлы, относительно велика. Поэтому частицы отложений, увлекаемые водой, ударяются о поверхности главного уплотнения и тем самым ускоряют эрозию седла клапана. Эрозия седла не позволяет клапану перекрыть поток воды, понижает эффективность электростанции и вызывает разрушение устройства, регулирующего поток текучей среды.
Один из традиционных подходов к решению проблемы эрозии заключался в применении более твердых материалов как для седла, так и для регулирующего элемента. Хотя для определенных приложений эта идея себя оправдывала, с недавних пор на многих электростанциях для обработки воды, которая подается в паровые котлы, начали использовать химические препараты, имеющие коррозионные свойства. Кроме того, в режиме многократно повторяющейся циклической операции контроль химического состава воды становится более трудным. В общем случае более твердые материалы более восприимчивы к коррозии, т.е. такой подход можно применять только в ограниченном числе приложений.
Другой известный подход заключался в использовании мягкого порошкового седла на кольце и твердого металлического седла на регулирующем элементе, так что указанный элемент вдавливается в кольцо с мягким седлом с усилием, достаточным для того, чтобы при каждом введении регулирующего элемента в положение запирания формировалось новое седло. Однако такой подход применим для ограниченного числа приложений, причем он имеет несколько недостатков. Прежде всего, все, что попадает между опорными поверхностями во время перевода регулирующего элемента в положение запирания, будет препятствовать полному перекрыванию, а это выражается в высокой скорости протекания текучей среды через седло, что приводит к быстрой эрозии мягкого материала. Если указанный элемент удается закрыть полностью, продукты износа будут создавать вмятины в мягком материале седла. Если после этого открыть клапан, продукты износа смываются, и на месте царапин в седле образуется путь утечки. В результате при последующем переводе регулирующего элемента в положение запирания снова будут иметь место высокая скорость протекания текучей среды и эрозия материала седла.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 на виде сбоку в сечении представлено устройство для регулирования потока текучей среды, снабженное уплотнением, которое предотвращает протекание через основной путь утечки.
На фиг.2 в сечении представлен увеличенный фрагмент устройства, показанного на фиг.1.
На фиг.3 на виде сбоку в сечении представлен другой вариант указанного устройства, снабженного уплотнением, которое ограничивает протекание через основной путь утечки.
На фиг.4 представлен увеличенный фрагмент устройства, показанного на фиг.3.
Осуществление изобретения
Далее приведено описание уплотнения, предназначенного для ограничения протекания текучей среды через основной путь утечки. Указанное уплотнение расположено на этом пути и взаимодействует (входит в контакт) с регулирующим элементом, когда он находится в положении запирания. В результате протекание текучей среды через путь утечки уменьшается или полностью предотвращается. Предусмотрена возможность использования указанного уплотнения вместо обычных уплотнений, сформированных за счет взаимодействия регулирующего элемента и кольца седла клапана (качество такого уплотнения зависит от усилия, прикладываемого исполнительным механизмом к регулирующему элементу), или в добавление к ним. В одном из вариантов осуществления изобретения уплотнение контактирует с внутренним периметром регулирующего элемента, так что при нахождении указанного элемента в открытом положении оно расположено вне обычной траектории потока текучей среды.
На фиг.1 и 2 представлен первый вариант осуществления устройства для регулирования потока текучей среды. Указанное устройство состоит из регулирующего клапана 10 с уплотнением 12, взаимодействующим (входящим в контакт) с наружным периметром регулирующего элемента 14. Клапан 10 имеет корпус 16 с входом 18, выходом 20 и каналом 22 для текучей среды, проходящим между входом и выходом. К корпусу присоединено кольцо 24 седла клапана, задающее отверстие 26, через которое проходит траектория потока текучей среды. Верхняя часть кольца 24 снабжена контактной поверхностью 28.
К корпусу 16 присоединена клетка 30, которая находится в контакте с кольцом 24 седла. Указанная клетка образует внутренний канал 32 и, по меньшей мере, один проход 34, пролегающий через нее. Через этот проход проходит траектория 22 потока текучей среды.
Регулирующий элемент 14 имеет наружную поверхность 36, размеры которой выбраны из условия обеспечения введения данного элемента со скольжением во внутренний канал 32 клетки. К элементу 14 присоединен шток 38, присоединенный также к исполнительному механизму (не показан). Указанный механизм перемещает шток 38 и прикрепленный к нему элемент 14 возвратно-поступательным образом по оси 40. В представленном варианте регулирующий элемент 14 имеет опорную поверхность 41, взаимодействующую с контактной поверхностью 28 кольца седла клапана, когда элемент 14 находится в положении запирания. Проиллюстрированный регулирующий элемент 14 дополнительно содержит балансирующее отверстие 42, известным образом уравновешивающее давления текучей среды, воздействующие на противоположные стороны элемента 14.
Чтобы обеспечить для регулирующего элемента 14 возможность свободного перемещения по оси 40, предусмотрено наличие воздушного зазора 44 между наружной поверхностью 36 данного элемента 14 и внутренним каналом 32 клетки. Указанный зазор, ширина которого для наглядности изображена на фиг.2 в увеличенном масштабе, охватывает элемент 14 и, таким образом, имеет в данном примере осуществления изобретения кольцевую форму. В случае когда текучая среда течет по траектории 22 сверху вниз, проходя через отверстие 26 кольца седла, как это показано на фиг.1 и 2, зазор 44 создает два потенциальных пути утечки. Первый (основной) путь 46 идет от проходов 34 клетки и далее между контактной поверхностью 28 кольца седла и опорной поверхностью 41 клетки к отверстию 26. Второй (дополнительный) путь утечки 48 идет от проходов 34 клетки между клеткой 30 и регулирующим элементом 14 по направлению к верхнему участку указанного элемента. В представленном варианте элемент 14 снабжен узлом 50 уплотнения дополнительного пути утечки, причем этот узел находится в скользящем контакте с внутренним каналом 32 клетки, предотвращая протекание текучей среды через дополнительный путь 48 утечки.
Для уменьшения или предотвращения протекания текучей среды через основной путь 46 утечки в устройстве предусмотрено наличие уплотнения 12. Оно расположено на пути 46 и находится в контакте с уплотнительной поверхностью 52, выполненной отдельно от опорной поверхности 41 и сформированной на наружном периметре элемента 14. В проиллюстрированном варианте осуществления клетка 30 и кольцо 24 седла образуют полость 54, размеры которой рассчитаны на введение в него уплотнения 12. Тем самым обеспечивается удерживание уплотнения 12 на месте. Уплотнительная поверхность 52 регулирующего элемента отделена от опорной поверхности 41 и расположена, по существу, параллельно оси 40. Поверхность 52 может иметь такой аксиальный размер (размер вдоль оси устройства), который позволяет ей входить в контакт с уплотнением 12 в интервале положений регулирующего элемента при его приближении к позиции полного запирания. Хотя на чертежах изображено кольцевое уплотнение 12 с С-образным поперечным сечением, должно быть понятно, что можно использовать и другие типы уплотнений. Для варианта с проиллюстрированным С-образным поперечным сечением преимуществом является возможность активирования уплотнения 12 давлением текучей среды, имеющим место в зазоре 44. Уплотнение 12 можно изготовить из металла, пластика или каких-либо других уплотняющих материалов с покрытием или без него.
В процессе работы, когда регулирующий элемент приближается к положению полного запирания, его уплотнительная поверхность 52 входит в контакт с уплотнением 12. В результате текучая среда, стремящаяся пройти по основному пути 46 утечки, блокируется указанным уплотнением. Если уплотнение изготовлено из гибкого материала, текучая среда входит с ним в контакт и деформирует, увеличивая его давление на уплотнительную поверхность 52 регулирующего элемента. В результате протекание текучей среды по пути 46 уменьшается. Таким образом, уплотнение 12 может выполнять функцию резервного уплотнения, дополняющего контакт между опорной поверхностью 41 регулирующего элемента и контактной поверхностью 28 кольца седла. В альтернативном варианте указанный контакт, т.е. главное уплотнение, можно вообще заменить уплотнением 52. В любом случае, протекание текучей среды по основному пути 46 утечки ослабляется или исключается вообще, в результате чего повреждение кольца 24 седла сводится к минимуму. В дополнение к сказанному следует отметить, что для регулирующего клапана 10 усилие, прилагаемое исполнительным механизмом для создания надежного уплотнения между регулирующим элементом 14 и кольцом 24 седла, больше не является принципиально важным фактором, т.е. требования к рабочим характеристикам указанного механизма понижаются.
На фиг.3 и 4 представлен альтернативный пример осуществления регулирующего клапана 110. В указанном клапане уплотнение 112 взаимодействует (входит в контакт) с регулирующим элементом 114, создавая тем самым главное уплотнение, которое предотвращает протекание текучей среды по основному пути 146 утечки. Клапан 110 содержит корпус 116, имеющий вход 118, выход 120 и проходящий между входом и выходом канал, задающий траекторию 122 потока текучей среды. К корпусу присоединено кольцо 124 седла клапана, задающее отверстие 126, через которое проходит траектория 122 потока. Кольцо 124 образует также ограничивающую поверхность 128.
К кольцу 124 седла присоединена клетка 130, формирующая внутренний канал 136. В ней выполнено множество проходов 134, по которым проходит траектория 122 потока текучей среды.
Регулирующий элемент 114 имеет наружную поверхность 132, размеры которой выбраны из условия обеспечения введения со скольжением в канал 136. К элементу 114 присоединен шток 138, присоединенный также к исполнительному механизму (не показан). Указанный механизм перемещает шток 138 и элемент 114 возвратно-поступательным образом по оси 140 между открытым и запирающим положениями. Кроме того, регулирующий элемент 114 имеет ограничивающую поверхность 141, выполненную с возможностью взаимодействия с ограничивающей поверхностью 128 кольца седла, ограничивая тем самым перемещение регулирующего элемента 114.
Вследствие допусков при механической обработке и других связанных с ней факторов между внутренним каналом 136 клетки и наружной поверхностью 132 регулирующего элемента образуется воздушный зазор 144. Указанный зазор, ширина которого для наглядности изображена на фиг.4 в увеличенном масштабе, представляет собой основной путь 146 утечки, идущий от проходов 134 клетки и далее между ограничивающей поверхностью 141 регулирующего элемента и ограничивающей поверхностью 128 кольца седла к отверстию 126 кольца седла. Соответственно когда регулирующий элемент находится в положении полного запирания, текучая среда может проходить от входа 118 через проходы 134 клетки, зазор 144 и по основному пути 146 утечки к отверстию 126 кольца седла.
Уплотнение 112 выполняет функцию главного уплотнения, уменьшая или предотвращая протекание текучей среды по основному пути 146 утечки. В представленном варианте осуществления кольцо 124 седла имеет часть в форме сальника 156, образующую вырез 158. Указанный вырез открыт со стороны, противоположной оси 140, и рассчитан на введение в него уплотнения 112 с целью фиксации положения этого уплотнения. Регулирующий элемент 114 имеет уплотнительную поверхность 152, расположенную на его внутреннем периметре и ориентированную, по существу, параллельно оси 140. Размеры и положение уплотнения 112 выбраны из условия обеспечения уплотнительного контакта с уплотнительной поверхностью регулирующего элемента, когда указанный элемент приближается к конечной точке перемещения, определяемой контактом поверхностей 128, 141. Указанное уплотнение изображено в виде кольца с круглым поперечным сечением, однако предусмотрена возможность применять и другие типы уплотнений, изготовленных из пластика или штампованного металла. Как и в предыдущем варианте осуществления, уплотнительная поверхность 152 регулирующего элемента имеет такой аксиальный размер (т.е. размер вдоль оси устройства), при котором любая точка этой поверхности в пределах указанного размера может взаимодействовать (входить в контакт) с уплотнением 112.
В процессе работы устройства уплотнение 112 эффективно минимизирует протекание текучей среды по основному пути 146 утечки и восприимчивость к эрозии. Когда регулирующий элемент 114 приближается к положению полного запирания, его внутренняя уплотнительная поверхность 152 входит в контакт с уплотнением 112, уменьшая или предотвращая протекание текучей среды по основному пути 146 утечки. Поскольку уплотнительная поверхность 152 расположена на внутреннем периметре элемента 114, она не находится на траектории 122 потока текучей среды и поэтому в меньшей степени подвергается разрушению под воздействием способствующих эрозии частиц, увлеченных текучей средой. Кроме того, предотвращение уплотнением 112 протекания текучей среды через основной путь 146 утечки не зависит от усилия, приложенного исполнительным механизмом к регулирующему элементу 114. Следует отметить также, что возможная эрозия ограничивающей поверхности 141 регулирующего элемента не приводит к разрушающим процессам в уплотнении 112, т.к. соответствующий участок главного уплотнения сформирован не поверхностью 141, а уплотнительной поверхностью 152. В этом отношении ограничивающую поверхность 141 можно специально удлинить, чтобы увеличить срок службы регулирующего элемента 114.
Хотя в настоящем описании приведены варианты осуществления изобретения с определенными входами и выходами, задающими конкретную траекторию потока, следует иметь в виду, что, не выходя из границ изобретения, вход и выход можно поменять местами. В частности, кроме описанного выше варианта, текучая среда может подниматься вверх через отверстие кольца седла, проходя мимо затвора к выходу через клетку. В приложениях, использующих такое обратное направление потока, описанные уплотнения обеспечат те же перечисленные выше преимущества.
Назначение приведенного подробного описания состоит только в облегчении понимания изобретения, и его не следует интерпретировать как вносящее какие-либо излишние ограничения, поскольку для специалистов в данной области будет очевидна возможность различных модификаций описанного устройства.