УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ УСТРОЙСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
PACKING UNIT OF DEVICE FOR FLUID MEDIUM PRESSURE CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам, регулирующим давление текучей среды и, более конкретно, к узлам, обеспечивающим в устройствах такого типа уплотнение между компонентами, совершающими скользящее перемещение.
Уровень техники
Для регулирования параметров потока текучей среды обычно применяют устройства, контролирующие ее давление. К указанным устройствам относятся, например, регулирующие клапаны и регуляторы. Устройство такого типа обычно содержит корпус клапана, имеющий вход, выход и канал для текучей среды, проходящий от входа до выхода. К корпусу прикреплено седло клапана с отверстием, через которое проходит траектория потока. Кроме того, имеется подвижный регулирующий элемент, например затвор, позиционируемый (переставляемый) относительно седла и изменяющий таким образом поток текучей среды через указанное отверстие. В устройстве, регулирующем текучую среду с применением скользящего штока, регулирующий элемент прикреплен к штоку, расположенному вне корпуса клапана и, в свою очередь, связанному с исполнительным механизмом, который задает положение регулирующего элемента относительно седла клапана.
Для устройств со скользящим штоком часто нужны компоненты, направляющие узел регулирующего элемента по отношению к седлу клапана. В частности, желательно направить линейное перемещение узла регулирующего элемента таким образом, чтобы оно было соосно крышке, герметизирующему каналу, клетке, стакану, кольцу седла или какому-либо другому компоненту, прикрепленному к корпусу клапана. Кроме того, посредством точного направления штока и/или головки затвора обеспечивается максимальная поперечная устойчивость, противодействующая вибрационным и усталостным разрушениям. Соответственно, компоненты, направляющие перемещение регулирующего элемента, часто содержат направляющие поверхности, которые скользят одна относительно другой.
Вследствие износа, истирания (фрикционной коррозии) или каких-либо других причин в устройствах, регулирующих текучую среду, истирание при скольжении направляющих компонентов может вызвать отделение материала от компонентов клапана. Особенно сильно подвержены истиранию некорродируемые материалы, применяемые в некоторых приложениях. Такое истирание и другие проявления износа могут вызвать перемещение и перенос материала компонента вдоль зоны контакта. В результате внутри устройства возможно повреждение или разрушение уплотненных соединений, в числе которых можно назвать главное уплотнение между регулирующим элементом и седлом, вспомогательное уплотнение между регулирующим элементом и клеткой, а также сальник штока, расположенный между штоком и герметизирующим узлом.
Общепринятые приемы уменьшения истирания обычно сводятся к применению разнородных материалов для компонентов, контактирующих между собой. Такой подход может привести к повышению стоимости материалов и самого узла, а для некоторых приложений - к наложению ограничений на использование устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 на виде сбоку и в продольном сечении представлено устройство, регулирующее текучую среду и имеющее вспомогательную полость, которая примыкает к поверхности контакта между затвором и седлом.
Фиг.2 представляет собой увеличенное изображение фрагмента фиг.1, иллюстрирующее вспомогательную полость.
На фиг.3 на виде сбоку и в продольном сечении представлен второй вариант осуществления устройства, регулирующего текучую среду и имеющего вспомогательную полость, которая расположена между затвором и клеткой.
Фиг.4 представляет собой увеличенное изображение фрагмента фиг.3, иллюстрирующее вспомогательную полость.
На фиг.5 в продольном сечении представлен следующий вариант осуществления устройства, регулирующего текучую среду и имеющего вспомогательную полость, которая примыкает к штоку и герметизирующему узлу.
Осуществление изобретения
Далее приведено описание уплотнительного узла для устройства, регулирующего текучую среду. Указанный узел имеет вспомогательную полость, назначение которой заключается в уменьшении разрушающих воздействий истирания или какого-либо другого повреждающего эффекта, связанного с износом, на уплотненные зоны внутри устройства. Вспомогательная полость образует пространство, в котором может собираться материал, имеющий обычно металлическую природу и отделяющийся от контактирующих компонентов. Тем самым предотвращается попадание материала в зоны, предназначенные для уплотненного контакта. Например, указанная полость может примыкать к зоне такого контакта, лежащей между затвором и седлом клапана, между затвором и клеткой или между штоком и герметизирующим узлом. Хотя далее особенно подробно описаны именно эти примеры вариантов осуществления изобретения, следует иметь в виду, что вспомогательную полость можно поместить внутри устройства и в других зонах, если при этом обеспечиваются преимущества, обеспечиваемые использованием изобретения.
На фиг.1 и 2 представлен одноканальный регулирующий клапан 10 с несбалансированным затвором и со скользящим штоком. Указанный клапан имеет корпус 12 с входом 14 и выходом 16 и регулирует поток текучей среды между ними. К корпусу 12 прикреплено седло 18 клапана, имеющее отверстие 20, через которое проходит траектория потока. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения седло 18 присоединено к корпусу 12 посредством резьбового соединения, однако можно использовать и другие известные виды соединений. Верхняя часть седла 18 снабжена уплотнительной поверхностью 22, имеющей в данном случае форму усеченного конуса. В нижней части седла 18 имеется цилиндрическая внутренняя поверхность 24.
Через верхнее отверстие 28 корпуса в клапан введен узел 26 регулирующего элемента, задающего поток текучей среды через отверстие 20 седла. Указанный узел содержит регулирующий элемент, такой как затвор 30, прикрепленный к штоку 32. Затвор 30 содержит ответную (сопрягаемую) поверхность 34, по своей форме соответствующую уплотнительной поверхности 22 седла. Таким образом, при нахождении затвора 30 в положении запирания поверхность 34 уплотняющим образом контактирует с уплотнительной поверхностью 22, формируя главное уплотнение, как это показано на фиг.2. Кроме того, затвор 30 имеет цилиндрическую наружную поверхность 36, размеры которой выбраны из условия обеспечения скользящего контакта с внутренней поверхностью 24 седла. В данном варианте осуществления внутренняя поверхности 24 седла 18 и наружная поверхность 36 затвора 30 представляют собой соответственно первую и вторую направляющие поверхности, которые направляют сопрягаемую поверхность 34 затвора по направлению к уплотнительной поверхности 22 седла, когда узел 26 регулирующего элемента перемещается к положению запирания.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, затвор 30 дополнительно содержит ножки 38, определяющие параметры потока и направленные вниз от верхней (наружной) поверхности затвора. Между указанными ножками имеются зазоры 40, посредством которых при нахождении узла 26 регулирующего элемента в частично открытом положении обеспечиваются желаемые параметры потока. Такая операция хорошо известна специалистам в данной области. Следует отметить, что, не выходя за границы настоящего описания, можно применять и другие типы затворов как с ножками указанного назначения, так и без них.
Шток 32 проходит от верхней поверхности затвора 30 через верхнее отверстие 28 корпуса клапана. Свободный конец 42 штока адаптирован для прикрепления к исполнительному механизму (не показан), прилегающему к узлу 26 регулирующего элемента тяговое усилие.
Узел 43 крышки присоединен к корпусу 12 клапана, охватывая верхнее отверстие 28 и совместно со штоком 32 образуя уплотнение. Узел 43 содержит крышку 44, прикрепленную съемным образом (например с помощью соответствующих крепежных деталей) к корпусу 12. Крышка снабжена внутренним каналом 48, образующим герметизирующую камеру 50 и горловину 52. Указанная горловина может входить в скользящий контакт со штоком 32, обеспечивая тем самым дополнительное направляющее воздействие на узел 26 регулирующего элемента во время его перемещения (более подробно это будет описано далее в связи с вариантом осуществления, представленным на фиг.5). В камеру 50 введен герметизирующий узел (сальник) 54, осуществляющий уплотнение между штоком 32 клапана и внутренним каналом 48 крышки. Тем самым предотвращается утечка текучей среды через эту зону.
В седле 18 клапана сформирована вспомогательная полость 56, уменьшающая опасность попадания отделившегося материала (образующегося, например, в результате истирания) в зону главного уплотнения. Как показано на фиг.1 и 2, полость 56 сформирована в виде, по существу, кольцевой выточки, создающей зазор между наружной поверхностью 36 штока и внутренней поверхностью 24 седла клапана. Объем указанной полости достаточен для того, чтобы вместить материал, удаленный или каким-либо другим образом перенесенный во время работы узла 26 регулирующего элемента. Источником такого материала могут быть затвор 30, седло 18 или какой-либо другой компонент.
В данном примере осуществления изобретения вспомогательная полость 56 расположена между главным уплотнением и направляющими поверхностями, причем указанное уплотнение сформировано уплотнительной поверхностью 22 и сопрягаемой поверхностью 34, а направляющие поверхности образованы наружной поверхностью 36 штока и внутренней поверхностью 24 седла клапана. Соответственно, материал, отделившийся за счет истирания, износа или каких-то других факторов и обычно образующийся в зоне направляющих поверхностей, будет скапливаться во вспомогательной полости 56. Тем самым устраняется опасность разрушения главного уплотнения. Накопившийся в указанной полости материал можно затем удалить потоком технологической текучей среды или оставить в полости на любое время. Хотя в данном примере полость 56 непосредственно примыкает к главному уплотнению, следует иметь в виду, что возможны и другие варианты ее расположения рядом с направляющими или уплотнительными поверхностями. Кроме того, хотя на чертежах указанная полость сформирована в седле 18 клапана, ее можно дополнительно или альтернативным образом сформировать в затворе 30. С учетом сказанного для седла 18 и затвора 30 можно использовать одинаковые или сходные материалы, такие как стали марок 316 Stainless Steel и 304L Stainless Steel, сплав Stainless Steel Alloy 20, a также другие подобные металлы.
На фиг.3 и 4 представлен альтернативный вариант уплотнительного узла, который встроен в клапан 110, имеющий регулирующий узел в форме клетки и сбалансированного затвора. Указанный клапан содержит корпус 112 с входом 114 и выходом 116, поток текучей среды между которыми регулируется данным клапаном. К корпусу 112 прикреплено седло 118 клапана, имеющее отверстие 120, через которое проходит траектория потока. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения седло 118 присоединено к корпусу 112 посредством резьбового соединения, однако и в этом случае можно использовать другие известные виды соединений. Седло 118 имеет уплотнительную поверхность 122.
Через верхнее отверстие 128 корпуса клапана введены узел 126 регулирующего элемента и клетка 160, регулирующие поток текучей среды через отверстие 120 седла. У клетки имеется фланец 162, введенный в отверстие 128 и, по существу, перекрывающий его. От фланца 162 отходит вниз цилиндрическая стенка 164, нижняя кромка 166 которой в собранном состоянии устройства пространственно отделена от седла 118. Таким образом, в этот промежуток может проходить поток текучей среды. Стенка 164 имеет внутреннюю поверхность 168. Клетка 160 снабжена также выступом 170, в котором сформирован центральный канал 172. Указанный канал, по существу, соосен с внутренней поверхностью 168 и состоит из герметизирующей камеры 150 и горловины 152.
Узел 126 содержит регулирующий элемент, позиционируемый внутри канала для текучей среды. Указанный элемент, например затвор 130, прикреплен к штоку 132, отходящему от верхней поверхности затвора 130 и проходящему через верхнее отверстие 128 корпуса клапана. Свободный конец 142 штока адаптирован для присоединения к исполнительному механизму (не показан), прилегающему к узлу 126 регулирующего элемента тяговое усилие. Нижняя часть затвора 130 имеет сопрягаемую поверхность 134, по своей форме соответствующую уплотнительной поверхности 122 седла. Таким образом, при нахождении затвора 130 в положении запирания поверхность 134 уплотняющим образом контактирует с уплотнительной поверхностью 122, формируя главное уплотнение. Кроме того, затвор 130 имеет балансирующее отверстие 133, которое позволяет текучей среде проходить в верхнюю камеру 135, образованную клеткой 160 и верхней поверхностью затвора 130.
Указанный затвор содержит направляющее кольцо 137, размеры наружной поверхности 136 которого выбраны из условия обеспечения скользящего контакта с внутренней поверхностью 168 клетки. В данном варианте осуществления как кольцо 137, так и поверхность 168 имеют цилиндрическую форму с первой и со второй направляющими поверхностями. Указанные поверхности направляют сопрягаемую поверхность 134 затвора в сторону уплотнительной поверхности 122 седла клапана, когда узел 126 регулирующего элемента перемещается в закрывающее положение.
Кроме того, затвор 130 содержит уплотнительное кольцо 139, предотвращающее утечку текучей среды через вторичную траекторию потока между клеткой 160 и затвором 130. Указанное кольцо, как правило, также имеет цилиндрическую форму, причем размеры его второй сопрягаемой поверхности 141 выбраны из условия обеспечения скользящего контакта и уплотнения при взаимодействии с внутренней поверхностью 168 клетки. Кольцо 139 можно изготовить из материала, обеспечивающего адекватное уплотнение совместно с материалом металлической клетки, но в то же время позволяющего кольцу скользить вдоль внутренней поверхности 168 клетки. Перечень возможных материалов включает в себя фторполимерную резину, такую как продукт, поставляемый фирмой DuPont под маркой TEFLON, графитовый материал и нитрильный каучук.
В затворе 130 сформирована первая вспомогательная полость 156, уменьшающая опасность попадания отделившегося материала в зону вспомогательного уплотнения, т.е. в зону контакта между уплотнительным кольцом 139 и внутренней поверхностью 168 клетки. Как более наглядно показано на фиг.4, полость 156 сформирована промежуточным участком 158 затвора, имеющим уменьшенный радиальный размер. Указанный участок создает, по существу, кольцевую канавку, объем которой достаточен для того, чтобы вместить материал, удаленный или каким-либо другим образом перенесенный во время работы узла 126 регулирующего элемента. Источником такого материала могут быть затвор 130, клетка 160 или какие-либо другие компоненты клапана. В проиллюстрированном варианте осуществления первая вспомогательная полость 156 расположена между направляющим кольцом и уплотнительным кольцом, однако можно использовать и другие альтернативные местоположения, отмеченные выше в связи вариантом осуществления, показанным на фиг.1 и 2.
Кроме того, для дополнительной защиты уплотненного контакта между уплотнительным кольцом 139 и внутренней поверхностью 168 клетки можно использовать вторую вспомогательную полость 190. Как показано на фиг.3 и 4, указанная полость сформирована верхней частью 192 затвора 130 за счет уменьшения ее диаметра. Как и в случае первой вспомогательной полости 156, полость 190 образует зазор между затвором и поверхностью 168 клетки, в котором может скапливаться материал, отделившийся в результате истирания, износа или каких-то других факторов.
На фиг.5 представлен еще один вариант осуществления уплотнительного узла, предназначенного для применения в устройстве, регулирующем текучую среду. В увеличенном масштабе в продольном сечении показан уплотненный контакт между герметизирующим узлом 210 и штоком 211. Указанный шток является компонентом узла регулирующего элемента (сам регулирующий элемент не показан). Крышка 212, которую можно присоединить к корпусу (не показан) клапана, имеет центральный канал 214, согласованный по размеру со штоком 211. Указанный канал образует герметизирующую камеру 218, горловину 220 и коллектор 222. Для создания уплотнения между штоком 211 и внутренним каналом 214 в камеру 218 можно ввести герметизирующий узел 210. Тем самым предотвращается утечка текучей среды через эту зону.
Показанный на чертеже герметизирующий узел 210 содержит кольцо 230 с V-образным профилем, охватываемый и охватывающий элементы 232 и 234 соответственно, верхнее и нижнее кольца 236, предотвращающие выдавливание текучей среды, а также кольцо 238 герметизирующей камеры. Однако, не выходя за пределы настоящего описания, можно использовать и другие компоненты известных камер такого назначения. В рабочем состоянии узел 210 сжат так, что внутренняя сопрягаемая поверхность 240 кольца 230 уплотняющим образом контактирует с наружной поверхностью 242 штока 211. Материал для кольца 230 выбирают исходя из необходимости хорошего уплотнения в паре материал-шток, позволяющего в то же время осуществлять скольжение штока.
Для того чтобы дополнительно направлять шток 211 во время его движения, в коллектор 222 введено опорное кольцо 246. Указанное кольцо имеет внутреннюю поверхность 248, плотно подогнанную к наружной поверхности штока, но, тем не менее, допускающую скольжение штока. В соответствии с этими условиями обе указанные поверхности являются направляющими поверхностями для скользящего перемещения узла регулирующего элемента.
Рядом с внутренней поверхностью 248 сформирована вспомогательная полость 250, предназначенная для накопления отделившегося материала. Тем самым уменьшается опасность разрушения уплотнения в зоне контакта герметизирующего узла со штоком. Указанная полость сформирована в виде участка внутренней поверхности 248, имеющего увеличенный диаметр и образующего кольцевую канавку. В результате между внутренней поверхностью 248 опорного кольца и наружной поверхностью штока формируется зазор, объем которого достаточен для накопления материала, отделившегося от клапана во время работы. В данном варианте осуществления вспомогательная полость 250 непосредственно примыкает к направляющим поверхностям, т.е. к внутренней поверхности 248 опорного кольца и к наружной поверхности штока. В отличие от уплотненного контакта между герметизирующим узлом и штоком указанные поверхности разделены между собой небольшим промежутком.
Приведенное выше подробное описание имеет целью только облегчить понимание изобретения и не накладывает каких-либо дополнительных ограничений, поскольку для специалистов в этой области должна быть очевидной возможность различных модификаций настоящего изобретения.