ШАРОВОЙ КРАН
BALL COCK

Изобретение относится к электроприводной арматуре, используемой, в частности, в системах топливообеспечения энергетических котлоагрегатов и газопотребляющих систем, и может быть использовано для обеспечения взрывобезопасного и экономичного сжигания углеводородного топлива (природный газ) в энергетических котлоагрегатах.
Обеспечение взрывобезопасности и эффективного сжигания природного газа регламентируется Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности сетей газораспределения и газопотребления».
Правила указывают на необходимость установки быстрозапорной (время срабатывания менее 1 с) трубопроводной арматуры с классом герметичности «А» на газоподающих магистралях.
Известны различные конструкции запорных и запорно-регулирующих кранов, отличающихся по типу затвора (шаровой, цилиндрический, конусный) и типу привода - электрический, электромагнитный, пневматический, гидравлический, ручной (Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, 1987, с. 68).
В настоящее время используются шаровые краны, у которых в качестве уплотнения шарового затвора используются фторопластовые элементы.
Вопрос получения и главное сохранения требуемого класса герметичности шарового затвора при циклическом режиме (открыто, закрыто) работы актуален из-за износа фторопластовых элементов.
Износ вызван воздействием технологических погрешностей изготовления (биение, шероховатость, отклонение от формы) деталей, образующих уплотнительный стык.
Известен шаровой регулирующий кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, который связан с приводным валом электропривода. Кран предназначен для автоматического управления расходом жидкостей в трубопроводах (кран шаровой регулирующий с электроприводом производства ОАО НИПОМ; http://WWW/nipom.ru/armature/11ng902.html).
К недостаткам этого крана следует отнести невозможность мгновенного (менее 1 с) автоматического закрытия крана при прекращении подачи электроэнергии, что может привести к аварийной ситуации при работе с агрессивными и взрывоопасными средами.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, электропривод с приводным валом. Между корпусом и электроприводом установлен пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, внутри которого размещен промежуточный вал, сопряженный с возможностью передачи крутящего момента со шпинделем и муфтой сцепления. При этом муфта сцепления сопряжена с плавающим в аксиальном направлении фланцем, который в свою очередь жестко связан с цилиндрической пружиной, закрепленной на основании цилиндра. При этом муфта сцепления может входить в зацепление при передаче крутящего момента с приводным валом электропривода. Кроме этого, на крышке цилиндра закреплена шарнирная пластина, сопряженная с плавающим фланцем и сердечником электромагнита. Пластина может складываться при аксиальном перемещении плавающего фланца (патент РФ №2364777 С1, МПК F16K 5/06, 31/02, 20.11.2007).
К недостаткам указанного устройства следует отнести:
- во-первых, несвойственная для цилиндрической пружины функция создания крутящего момента путем закручивания относительно собственной оси может привести к релаксации упругих свойств;
- во-вторых, ассиметрично установленная шарнирная пластина создает изгибающий момент, который может привести к перекосу плавающего фланца и, как следствие, заклиниванию последнего в процессе осевого перемещения;
- в-третьих, нарушение герметичности крана из-за износа фторопластовых уплотнительных колец.
Указанные недостатки приведут к аварийной ситуации при обесточивании энергетического блока, работающего на природном газе.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, электропривод с приводным валом, пустотелый цилиндр с основанием и крышкой. Внутри цилиндра установлен промежуточный вал, сопряженный со шпинделем шарового крана устройством передачи крутящего момента. На промежуточном валу установлена плавающая в аксиальном направлении подпружиненная втулка с фланцем. Втулка сопряжена с промежуточным валом и приводным валом электропривода соответственно муфтой сцепления типа штифт-паз и устройством передачи крутящего момента. При этом фланец связан с сердечниками электромагнитов рычажным механизмом. На основании пустотелого цилиндра коаксиально промежуточному валу установлена цилиндрическая пружина сжатия. Пружина одним концом жестко зафиксирована на основании, а другим сопряжена с промежуточным валом с возможностью передачи крутящего момента. Электропривод через промежуточный вал имеет возможность закручивать пружину относительно собственной оси при угловом повороте шпинделя. В процессе работы закрученная пружина создает крутящий момент, который может закрыть шаровой кран при обесточивании электропривода (патент РФ №2495312 С1, МПК F16K 5/06, 31/02, 12.05.2012).
К недостаткам этого технического решения следует отнести:
- во-первых, при закручивании пружины в процессе работы происходит релаксация ее упругих свойств, что приведет к потере работоспособности пружины и, как следствие, нарушению работоспособности устройства;
- во-вторых, износ фторопластовых уплотнительных колец приводит к снижению класса герметичности.
Указанные недостатки могут привести к аварийной ситуации при работе энергетического агрегата на природном газе.
Известен и является прототипом шаровой кран, содержащий корпус, шаровой затвор со шпинделем, электропривод с приводным валом. Между корпусом и электроприводом установлен пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, внутри которого размещен промежуточный вал, сопряженный с возможностью передачи крутящего момента со шпинделем шарового затвора. На промежуточном валу установлена плавающая и подпружиненная втулка, которая сопрягается с валом зацеплением паз-выступ. Втулка имеет возможность аксиально перемещаться относительно промежуточного вала и связана с приводным валом электропривода соединением квадрат в квадрате. Кроме этого, втулка связана с сердечниками двух вертикальных электромагнитов, установленных на основании пустотелого цилиндра. В то же время на промежуточном валу с возможностью передачи крутящего момента установлен диск с зубьями трапецеидального профиля, которые могут сопрягаться с зубьями аналогичного профиля двух параллельных цилиндрических реек, установленных тангенциально диску. При этом каждая рейка подпружинена и имеет возможность тангенциального перемещения по коаксиальным, жестко закрепленным направляющим. Герметичность шарового крана обеспечивается фторопластовыми кольцевыми элементами (заявка РФ №2016115414, 20.04.2016).
Прототип, используя потенциальную энергию сжатой пружины, позволяет мгновенно (менее 1 с) закрыть шаровой кран и отсечь взрывоопасную и агрессивную среду от энергетического котлоагрегата. Однако проблема обеспечения герметичности шарового крана из-за износа фторопластовых колец уплотнительного стыка осталась не решенной. Это может привести к взрывоопасной ситуации при обесточивании энергоблока.
Таким образом задачей изобретения является обеспечение герметичности шарового крана в положении «закрыто» при работе на природном газе.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в шаровом кране, содержащем корпус, шаровой затвор со шпинделем, электропривод с приводным валом, пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, внутри которого установлен промежуточный вал, связанный со шпинделем шарового затвора устройством передачи крутящего момента, плавающую в аксиальном направлении втулку, которая связана, во-первых, с промежуточным и приводным валом электропривода соединениями соответственно паз-выступ и квадрат в квадрате, и, во-вторых, с сердечниками двух электромагнитов, при этом на промежуточном валу закреплен зубчатый диск, сопряженный с двумя подпружиненными зубчатыми рейками, которые могут перемещаться по тангенциальным направляющим, жестко закрепленным на основании пустотелого цилиндра, кроме этого, между корпусом и шаровым затвором установлен подпружиненный кольцевой элемент с уплотнительной прокладкой и сферической поверхностью, предусмотрены следующие отличия, на наружной поверхности кольцевого элемента, в непосредственной близости от уплотнительной прокладки, выполнен узкий кольцевой поясок, размеры которого обеспечивают угловую и осевую подвижность кольцевого элемента, при этом на наружной поверхности шарового затвора выполнена проточка в виде части сферического сектора и прямоугольная канавка, где установлен кольцевой уплотнительный элемент, который только в положении крана «закрыто» может сопрягаться со сферической поверхностью кольцевого элемента с образованием уплотнительного стыка, кроме этого, диаметральный размер кольцевого пояска должен превосходить диаметральный размер уплотнительного стыка с образованием кольцевой площадки газостатического поджима.
Техническое решение позволяет решить проблему обеспечения и сохранения герметичности шарового крана в аварийной ситуации. Для этого предусмотрены следующие отличия, а именно:
- использование упругоэластичного элемента в уплотнительном стыке позволяет получить требуемую герметичность шарового крана и обеспечивает возможность применения любых износостойких материалов;
- проточка в виде части сферического сектора обеспечивает сопряжение уплотнительного элемента со сферической поверхностью кольцевого элемента только в положении крана «закрыто» и позволяет исключить контакт последнего с уплотнительным элементом в переходных режимах «открыто-закрыто»; это предохраняет уплотнительный элемент от износа и позволяет сохранить герметичность шарового крана в течение всего срока эксплуатации;
- узкий кольцевой поясок обеспечивает угловую и осевую подвижность кольцевого элемента, что позволяет компенсировать технологические погрешности изготовления (несоосность, биение) шарового затвора и позволяет получить оптимальное сопряжение уплотнительного стыка;
- силовое воздействие эпюры избыточного давления газа на площадку газостатического поджима позволяет обеспечить плотное сопряжение кольцевого и уплотнительного элементов. Это в свою очередь допускает применить пружины с небольшим усилием и свести к минимуму износ сферической поверхности кольцевого элемента в процессе работы шарового крана в переходных режимах, что также способствует сохранению герметичности уплотнительного стыка.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 - продольный разрез шарового крана в положении «закрыто»;
- на фиг. 2 - продольный разрез шарового крана в положении «открыто»;
- на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 1;
- на фиг. 4 - увеличенное изображение элемента Б на фиг. 1.
Предложенный шаровой кран состоит из корпуса 1, шарового затвора 2, шпинделя 3. На корпусе 1 установлен пустотелый цилиндр 4 с основанием 5 и крышкой 6. На крышке 6 закреплен электропривод 7 с приводным валом 8. Внутри цилиндра 4 установлен в подшипниках качения 9 промежуточный вал 10, сопряженный со шпинделем 3 соединением типа квадрат в квадрате. На промежуточном валу 10 установлена плавающая в аксиальном направлении втулка 11, которая связана с приводным валом 8 электропривода 7 сопряжением квадрат в квадрате. Кроме этого, втулка 11 имеет паз 12, который при передаче крутящего момента может входить в зацепление с выступами 13 промежуточного вала 10. При этом втулка 11 через подшипник 14, диафрагму 15 связана с сердечниками 16 электромагнитов 17 и пружинами 18. На промежуточном валу 10 с возможностью передачи крутящего момента установлен диск 19, на наружной поверхности которого с равномерным шагом выполнены трапецеидальные зубья 20. Тангенциально диску 19 установлены цилиндрические рейки 21, на наружной поверхности которых выполнены трапецеидальные зубья 22. Зубья 20 диска 19 и зубья 22 реек 21 образуют зацепление «шестерня-рейка». При этом рейки 21 сопряжены с пружинами 23, установленными коаксиально, и могут тангенциально перемещаться вдоль цилиндрических направляющих 24, жестко закрепленных на основании 5. В корпусе 1 установлен кольцевой элемент 25 с цилиндрическим пояском 26, прокладкой 27 и сферической поверхностью 28 Кольцевой элемент 25 подпружинен пружинами 29. На наружной поверхности 30 шарового затвора 2 выполнена проточка 31 в виде части сферического сектора и прямоугольная канавка 32 с уплотнительным элементом 33. Сферическая поверхность 28 и уплотнительный элемент 33 образуют уплотнительный стык 34. Поясок 26 и уплотнительный стык 34 образуют площадку 35 газостатического поджима кольцевого элемента 25.
Шаровой кран работает следующим образом.
В штатных условиях электроэнергия подается на все механизмы энергетического блока. Электромагниты 17 втягивают сердечники 16 и сдвигают диафрагму 15 с плавающей втулкой 11 в осевом направлении в сторону диска 19. При этом пружины 18 сжимаются, а паз 12 втулки 11 входит в зацепление с выступами 13 промежуточного вала 10. В этом положении электропривод 7 через приводной вал 8, втулку 11 и промежуточный вал 10 переводит шаровой кран в положение «открыто». При этом диск 19 через цилиндрические рейки 21 сжимает пружины 23. В процессе поворота шарового затвора 2 его наружная поверхность 30 скользит по сферической поверхности 28 кольцевого элемента 25. В свою очередь пружины 29 обеспечивают минимальное усилие сопряжения сферических поверхностей 28, 30. При этом уплотнительный элемент 33 не контактирует с поверхностью 28.
В аварийной ситуации, при обесточивании энергоблока, пружины 18 через диафрагму 15 сдвигают втулку 11 в сторону электропривода 7 и выводят ее из зацепления с промежуточным валом 10. Приводной вал 8 электропривода 7 расцепляется со шпинделем 3 шарового затвора 2. Под воздействием усилия сжатых пружин 23 цилиндрические рейки 21 через зацепление «шестерня-рейка» поворачивают промежуточный вал 10, шаровой затвор 2 на 90° и переводят шаровой кран в положение «закрыто». В этом положении сферическая поверхность 28 кольцевого элемента 25 сопрягается с уплотнительным элементом 33 с образованием уплотнительного стыка 34. Герметичность уплотнительного стыка 34 обеспечивается двумя совокупными факторами, а именно силовым воздействием пружин 28 и газостатическим усилием от воздействия избыточного давления на кольцевую площадку 35. В этом положении шаровой кран отсекает подачу взрывоопасной среды в обслуживаемое помещение энергоблока.
При возобновлении подачи электроэнергии оператор открывает шаровой кран вручную.