ТЕРМОЗАПОРНЫЙ КЛАПАН
THERMAL SHUTOFF VALVE

Термозапорный клапан относится к трубопроводной арматуре и может быть использован в теплоэнергетике, трубостроении, химической промышленности, газо - и нефтепроводах.
Известен клапан с термочувствительным элементом (см. а.с. SU №1357649, кл. F16K 31/64, 1989 г.), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, золотник, запорный орган, седло, термосиловой и термочувствительный элемент, выполненный из материала, обладающего эффектом памяти формы.
Недостатком этого клапана является сложность конструкции и низкая скорость захлопывания проходного отверстия клапана.
По технической сущности близким к предлагаемому решению является термоклапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, запорный орган в виде сферического сегмента, выполненного из сплава с эффектом памяти формы, седло и шток (см. RU №2171937, МПК F16K 17/38, 2001 г. - прототип). Недостатком этого термоклапана является невозможность возвратить запорный элемент в исходное положение после срабатывания и установить необходимый зазор между сферой запорного органа (сферического сегмента) и седлом для установки клапана в рабочее положение. Такая возможность в данном клапане отсутствует. Используемые пружины решают эту проблему частично и при достаточно низком давлении рабочей жидкости (менее 0.5 атм.). Затруднителен прогиб запорного органа (сферического сегмента) нажатием рукой на головку штока до контакта с седлом для формирования сферы. Например, чтобы прогнуть запорный орган диаметром 20 мм зеркально исходной форме, потребуется усилие 18-22 кгс, а при диаметре 30 мм - 28-32 кгс и т.д. Отсутствует возможность дозированного (контролируемого) перемещения штока в обратном направлении для создания требуемого зазора (z) между куполом запорного органа и сферой седла. В данном клапане отсутствует возможность измерения хода штока и его фиксация в заданном положении бесконечной жесткости. Упругие винтовые пружины податливы при давлении рабочей среды, поэтому они не могут обеспечить надлежащую плотность контакта органа (сферического сегмента) с седлом клапана.
Техническая задача изобретения - упрощение конструкции с обеспечением надежного срабатывания на мгновенное (с хлопком) закрытие клапана при заданной температуре и возврата в исходное состояние при неограниченных размерах запорного органа. Она достигается тем, что запорный орган клапана, выполняющий одновременно функции термочувствительного и термосилового элементов, изготовлен из сплава с эффектом памяти формы в виде сферического сегмента, а в корпусе имеется шток в виде винта, находящийся в сопряжении с резьбовым отверстием золотника со сферической головкой, выполняющего роль пуансона, который служит для изменения выпуклости сферы в прямом направлении для прогиба сферического сегмента (запорного органа) при комнатной температуре и в обратном на строго заданную величину (z) при установке клапана в рабочее положение после каждого срабатывания при заданной (критической) температуре рабочей среды.
f
В предлагаемый термозапорный клапан введен винтовой механизм, обеспечивающий осевое перемещение золотника со сферическим наконечником, который выполняет роль пуансона при вращении маховичка. В предлагаемой конструкции сферический сегмент (запорный орган), постоянно омываясь рабочей средой, является термочувствительным элементом, реагирующим на изменение температуры. При комнатной температуре (в мартснситном состоянии) сегмент деформируется (прогибается) зеркально исходной форме, а при нагреве до температуры, близкой к температуре окончания обратного мартенситного превращения (A), сегмент теряет устойчивость и мгновенно скачком (с хлопком) подобно взрыву восстанавливает заданную форму, выполняя механическую работу. Обнаруженный эффект использован в данном клапане.
Для пояснения предлагаемого изобретения представлены чертежи.
На фиг.1 представлен общий вид термозапорного клапана в разрезе с положением клапана в начальной стадии действия.
На фиг.2а представлена конструкция термозапорного клапана в рабочей стадии, когда имеется прогиб в мартенсите зеркально исходной (заданной) форме.
На фиг.2в представлена конструкция термозапорного клапана в положении «открыто».
На фиг.2с представлена конструкция термозапорного клапана в положении «закрыто».
Клапан состоит из корпуса 1 с входным 11 и выходным 9 патрубками, седла 12, запорного органа 2. В верхней части клапана установлены: золотник-пуансон 3, маховичок 7 с указателем поворота 8 по шкале круглого диска 5, манжеты 4, пружина сжатия 10, шток 6, уплотнительная прокладка 13.
f
Запорный орган 2 изготовлен из сплава с эффектом памяти формы в виде сферического сегмента. Во время работы клапана запорный орган постоянно контактирует с рабочей средой. В данной конструкции клапана запорный орган (сферический сегмент) является термочувствительным и термосиловым элементом. В процессе нагрева рабочей среды до заданной температуры в материале сферического сегмента развиваются реактивные напряжения, которые достигают максимального значения при температуре, близкой к A (температура окончания обратного мартепситного превращения). Здесь сферический сегмент теряет устойчивость и мгновенно (с хлопком) прощелкивает к исходной форме, выполняя механическую работу по закрытию проходного отверстия клапана.
Поскольку запорным органом является сферический сегмент с эффектом памяти формы, срабатывание клапана может выполняться только в интервале фазового перехода мартенсит-аустенит. Для этого запорный орган необходимо сдеформировать (прогнуть) в мартенситном состоянии зеркально исходной форме. Это начальное (необходимое) условие, чтобы затем при нагреве до критической температуры совершить работу с высокой скоростью (до 7 мкс) срабатывания клапана на закрытие прохода рабочей среды. Взрывной характер деформации сферического сегмента (запорного органа) обеспечивается при определенном соотношении геометрических размеров.
Клапан работает следующим образом.
n
M
A
Поворотом маховичка 7 золотник-пуансон 3 со сферическим наконечником перемещается вдоль оси клапана до контакта с поверхностью запорного органа 2 (сегмента с памятью формы). При дальнейшем перемещении золотника происходит прогиб сферического сегмента на величину l=(f+f)-h зеркально исходной форме. Седло 12 формирует геометрически правильную сферическую форму сегмента. Это начальное (исходное) положение запорного органа. Проход жидкости или другой среды через клапан запрещен. Чтобы открыть проход среды через клапан, необходимо вращением маховичка (в обратную сторону) переместить шток-пуансон в осевом направлении для создания зазора (z) между куполом сегмента и впадиной седла (см. фиг 2в). В таком положении клапан открыт. Транспортируемая (рабочая) среда из патрубка 11 поступает в патрубок 9 и дальше в магистраль.
n
M
A
M
A
п
На фиг.2 представлены все положения запорного органа в созданном клапане. Начальное положение запорного органа показано на фиг.2а. Затем поворотом маховичка 7 шток 6 с резьбовым окончанием получает вращательное движение, способствуя золотнику шестигранной формы со сферическим наконечником перемещаться вдоль оси клапана до контакта с поверхностью запорного органа 2 (сегмента с памятью формы). При дальнейшем перемещении золотника происходит прогиб сферического сегмента на величину l=(f+f)-h зеркально исходной форме, где f - стрела подъема сегмента в мартенсите, f - в аустените, h - толщина пластинки. Седло 12 формирует геометрически правильную сферическую форму сегмента (фиг.2а). Проход жидкости или другой среды через клапан запрещен. Чтобы открыть проход среды через клапан, необходимо вращением маховичка (в обратную сторону) переместить золотник-пуансон в осевом направлении для создания зазора (z≈l) между куполом сегмента и впадиной седла (см. фиг.2в). В таком положении клапан открыт. Транспортируемая (рабочая) среда из патрубка 11 поступает в патрубок 9 и дальше в магистраль.
f
При повышении температуры рабочей среды до критического значения, близкого к A (температура окончания обратного мартенситного превращения), развивающиеся в материале запорного органа реактивные напряжения достигают максимального значения, при котором сферический сегмент (запорный орган) проявляет взрывной характер памяти формы, скачком прижимаясь своими краями к уплотнительной прокладке 13 (фиг.2 с). Клапан в таком положении закрыт.
Таким образом, техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции с обеспечением надежного срабатывания на мгновенное (с хлопком) закрытие клапана при заданной температуре и возврата в исходное состояние при неограниченных размерах запорного органа, возможность дозированного (контролируемого) перемещения штока в обратном направлении для создания требуемого зазора (z) между куполом запорного органа и сферой седла. А также обеспечение надлежащей плотности контакта запорного органа (сферического сегмента) с седлом клапана.