ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАН
ELECTRIC PNEUMATIC VALVE

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах регулирования энергетических установок.
В настоящее время клапаны с электромагнитным приводом являются неотъемлемой частью большинства автоматизированных систем управления, связанных с потоками жидких и газообразных сред в трубопроводах.
Известны клапаны с электромагнитным приводом, в которых запорный орган перемещается непосредственно усилием самого электромагнита. Такие клапаны используются только для перекрытия потока с незначительным расходом рабочей среды низкого давления.
Известны также клапаны с электромагнитным приводом, в которых для перемещения запорного органа используется энергия рабочей среды (Щучинский С.Х. «Клапаны с электромагнитным приводом»: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 152 с.: ил.). Существенным недостатком таких клапанов являются большая масса и низкое быстродействие.
Известен также электропневмоклапан (ЭПК) с пневмоусилением, нормально закрытой клапанной парой и с запорным органом поршневого типа (Козлов А.А. и др. «Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок». М.: Машиностроение, 1988. - 325 с.: Рис.2.74 - прототип).
В известном ЭПК электромагнит управляет только распределительным клапаном, обеспечивающим перемещение запорного органа за счет энергии рабочей среды, тем не менее, для управления необходим электромагнит большой мощности, потребляющий много электроэнергии для удержания клапана высокого давления в заданном положении. Это обусловлено тем, что при открытии ЭПК электромагниту необходимо преодолеть усилие пружины и силу от перепада давлений на клапане высокого давления. При этом усилие от перепада давлений зависит от площади проходного сечения клапана, а эта площадь выбирается из условия заданного быстродействия ЭПК.
Для обеспечения заданного быстродействия ЭПК с высоким входным давлением и большим расходом рабочей среды необходимо иметь соответствующую площадь проходного сечения клапана, осуществляющего подвод высокого давления в надзатворную полость ЭПК в его закрытом положении и сброс этого давления для открытия ЭПК.
Быстродействие известного ЭПК зависит от скорости изменения давления в надзатворной полости при его открытии и закрытии, а скорость изменения этого давления, в свою очередь, зависит от объема полости, площади проходного сечения сбросных каналов и дренажного клапана, а также величины зазора по цилиндрической поверхности между запорным органом и корпусом, поскольку при отсутствии уплотнительных элементов на этой поверхности рабочая среда перетекает из входной полости в надзатворную, что приводит к повышению давления в этой полости.
Ввиду того, что площадь проходного сечения зазора по запорному органу - величина переменная, зависимая от технологических допусков на изготовление сопрягаемых деталей, то соответственно и быстродействие каждого конкретного ЭПК будет различным.
Ограничение быстродействия нижним пределом и выбор заведомо больших площадей проходного сечения сбросного канала и дренажного клапана приводит к неоправданному увеличению размеров ЭПК и высокой скорости перемещения запорного органа, а следовательно, удару затворного органа о седло и повреждению торцевых уплотнительных элементов.
Задачей настоящего изобретения является экономия электроэнергии, потребной для управления ЭПК, за счет использования электромагнита малой мощности, способного длительное время выдерживать нагрузку под напряжением без перегрева, а также повышение надежности ЭПК и обеспечение заданного быстродействия.
Указанная задача достигается тем, что в электропневмоклапане с нормально закрытой клапанной парой, содержащем запорный орган поршневого типа, поджатый к основному седлу пружиной, клапан высокого давления, взаимодействующий с двумя седлами, отверстие одного из которых соединено каналом с входной полостью электропневмоклапана, а отверстие второго соединено с полостью дренажной системы, согласно изобретению в нем отверстие седла, соединенного с полостью дренажной системы дополнительно соединено каналом с внутренней полостью сильфонного элемента, а наружная полость сильфонного элемента соединена каналами с полостью дополнительного клапана, жестко связанного промежуточным штоком с якорем электромагнита, причем на взаимнопротивоположных торцах дополнительного клапана установлены уплотнительные кольца, одно из которых взаимодействует с седлом, отверстие которого выходит в полость входного давления электропневмоклапана, а второе - с седлом, отверстие которого выходит в полость дренажной системы.
Кроме того, запорный орган выполнен в виде дифференциального поршня, имеющего на своих торцах выступы, взаимодействующие с уплотнительными кольцами, установленными на торце выходного патрубка ЭПК и на торце ему противоположном в надзатворной полости ЭПК, соответственно, а торцевое уплотнительное кольцо, отделяющее надзатворную полость от полости клапана, выполнено с углублением по форме взаимодействующего с этим кольцом выступа на торце запорного органа ЭПК.
Причем в канале ЭПК, соединяющем надзатворную полость с полостью клапана высокого давления, установлен настроечный элемент, обеспечивающий стабильность гидросопротивления указанного канала, и выполненный в виде жиклера или настроечного винта.
Таким образом, благодаря предлагаемой совокупности признаков в ЭПК перемещение клапана высокого давления обеспечивается не усилием электромагнита, а усилием от перепада давлений рабочей среды на дополнительном сильфоном элементе, связанном силовым замыканием с клапаном высокого давления, а электромагнит служит только для управления дополнительным клапаном с малой площадью проходного сечения, осуществляющим подвод и сброс давления рабочей среды в наружную полость сильфонного элемента.
Заданное быстродействие обеспечивается подбором жиклеров или изменением площади проходного сечения сбросного канала настроечным винтом в процессе контрольных испытаний.
Предлагаемый электропневмоклапан представлен на Фиг.1 и 2, где:
1 - корпус;
2 - запорный орган;
3 - выходной патрубок;
4 - крышка;
5 - кольцо уплотнительное;
6 - кольцо уплотнительное;
7 - пружина;
8 - жиклер;
9 - седло;
10 - седло;
11 - входной патрубок;
12 - проставка;
13 - крышка;
14 - элемент сильфонный;
15 - клапан управляющий;
16 - пружина;
17 - штуцер дренажа;
18 - трубка;
19 - клапан дополнительный;
20 - пружина;
21 - перегородка;
22 - штуцер дренажный;
23 - шток промежуточный;
24 - якорь электромагнита;
25 - электромагнит; а, 6, в, е, ж - полости; г, д - каналы.
Электропневмоклапан состоит из корпуса 1, в котором установлен запорный орган 2 (см. фиг.1), выполненный в виде дифференциального поршня с выступами на взаимнопротивоположных торцах. В проточках на торце выходного патрубка 3 и крышки 4 установлены уплотнительные кольца 5 и 6 соответственно. Крышка 4 образует с запорным органом 2 надзатворную полость «а». Запорный орган 2 поджат к уплотнительному кольцу 5 пружиной 7. В отверстии крышки 4 установлен жиклер 8.
В корпусе 1 выполнены радиальные цилиндрические расточки, образующие полости «б», «в», и отверстия с седлами 9 и 10 (см. фиг.2), которые соединяют полости «б» и «в» с полостью входного патрубка 11 (см. фиг.1). В корпусе 1 и крышке 4 выполнены каналы «г» и «д», соединяющие полость «б» с надзатворной полостью «а». На корпусе 1 фланцевым соединением закреплена проставка 12 и крышка 13. На проставке 12 закреплен сварным соединением сильфонный элемент 14. В проставке 12 выполнено осевое отверстие, в котором перемещается хвостовик клапана 15, взаимодействующий с тарелью сильфонного элемента 14.
Управляющий клапан 15 поджат к седлу проставки 12 пружиной 16. Проставка 12 выполнена с дренажным штуцером 17, связывающим ее внутреннюю полость и внутреннюю полость сильфонного элемента 14 с дренажной системой. Проставка 12 образует с крышкой 13 наружную полость сильфонного элемента «е». Полость «е» соединена трубкой 18 с полостью «в» радиальной расточки в корпусе 1. В этой расточке перемещается дополнительный клапан 19, поджатый к седлу корпуса 1 пружиной 20. Полость «в» отделена перегородкой 21 от полости «ж», связанной штуцером 22 с дренажной системой. Клапан 19 соединен промежуточным штоком 23 с якорем 24 электромагнита 25, закрепленного на фланце корпуса 1.
В исходном положении дополнительный клапан 19, жестко связанный через промежуточный шток 23 с якорем 24 электромагнита 25, прижат пружиной 20 в верхнее (см. фиг.2) положение на упоре в седло 10, перекрывая доступ рабочей среды из входного патрубка 11 в наружную полость «е» сильфонного элемента 14, и сообщая эту полость с полостью «ж» штуцера дренажа 22. Управляющий клапан 15 под действием усилия пружины 16 находится в левом (см. фиг.1) положении, открывая доступ рабочей среды из входного патрубка 11 в надзатворную полость «а». При этом левое уплотнительное кольцо управляющего клапана 15 перекрывает доступ рабочей среды в дренажную систему через штуцер дренажа 17. Давление рабочей среды из входного патрубка 11, подведенное через седло 9 управляющего клапана 15, сбросные каналы «г», «д» и жиклер 8 в надзатворную полость «а», а также усилие пружины 7 удерживают запорный орган 2 на упоре в седло выходного патрубка 3. При подаче электрического сигнала на электромагнит 25, его якорь 24 перемещает клапан 19 вниз (см. фиг.2) до упора в седло перегородки 21, разобщая полость «е» сильфонного элемента 14 от полости «ж» штуцера дренажа 22, и сообщая полость «е» с полостью входного давления патрубка 11, тем самым вызывая перемещение управляющего клапана 15 вправо до упора в седло 9. При этом надзатворная полость «а» сообщается с полостью штуцера дренажа 17.
Запорный орган 2 (см. фиг.1) под действием давления рабочей среды из входного патрубка 11 на площадь кольца между средними диаметрами уплотнительных колец 5 и 6 перемещается, преодолевая усилие пружины 7 вверх, до упора в уплотнительное кольцо 6 и открывает проход рабочей среды из входного патрубка 11 в выходной 3.
При снятии электрического напряжения с электромагнита 25 (см. фиг.2) его якорь 24 вместе с клапаном 19 под действием усилия пружины 20 возвращается в исходное положение на упоре в седло 10, перекрывая доступ рабочей среды из входного патрубка 11 в полость «е» сильфонного элемента и сообщая эту полость с полостью «ж» штуцера дренажа 22.
Управляющий клапан 15 под действием усилия пружины 16 перемещается вправо (см. фиг.1), открывая доступ рабочей среды из входного патрубка 11 в надзатворную полость «а» и отсекая эту полость от полости штуцера дренажа 17 (см. фиг.2).
При достижении в надзатворной полости «а» давления, равного входному, запорный орган 2 под действием усилия пружины 7 перемещается до упора в седло выходного патрубка 3 и разделяет полости входного патрубка 11 и выходного 3.
Таким образом, благодаря перечисленным выше особенностям, использование предлагаемой конструкции электропневмоклапана обеспечивает:
- экономию электроэнергии за счет использования для управления клапанами с большим расходом и высоким давлением рабочей среды электромагнитов малой мощности;
- заданное быстродействие при безударном функционировании за счет введения дополнительного настроечного элемента;
- минимальную утечку рабочей среды в дренажную систему при открытом положении клапана за счет применения торцевого уплотнения с профилированным уплотнительным кольцом.