КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ ОСЕВОГО ТИПА

Заявляемая полезная модель относится к трубопроводной арматуре, в частности, к регулирующим клапанам осевого типа, предназначенным для регулирования давления на нагнетательных трубопроводах и поддержания пластового давления, и может быть использована в различных отраслях промышленности, преимущественно, газовой, нефтяной, химической, металлургической, для перекачки жидких и газовых сред, в том числе загрязненных.
Регулирующие клапаны осевого типа отличаются от других видов клапанов и имеют следующие особенности:
- спрямленное осесимметричное и не встречающее препятствий течение среды через полнопроходной расширенный корпус клапана исключает турбулентность преобразование энергии в корпусе клапана - давление редуцируется только на внутренних элементах конструкции;
- за счет отсутствия турбулентности устраняется эрозионный износ и вибрация, и, как следствие, простои и затраты на техобслуживание;
- осуществление полного контроля величин скоростей среды в каждом месте его проточной части;
- пропускная способность клапана данного типа на 50-100% больше, чем у обычного седельного клапана, что позволяет выбрать клапан меньшего размера;
- внутри клапан разгружен по давлению, что определяет высокую точность регулирования при минимальной степени открытия. Это позволяет использовать для крупногабаритных клапанов небольшие приводы;
- благодаря большой пропускной способности в сочетании с точностью регулирования возможно использование одного клапана в широком диапазоне рабочих режимов;
- повышенная экологическая безопасность: динамический шум от корпуса минимален.
Из уровня техники известен клапан запорно-регулирующий, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, привод, шаровой затвор с проходным отверстием и запорной частью, седла шарового поворотного затвора с уплотнительными поверхностями, причем в проходном отверстии шарового поворотного затвора размещены элементы дросселирования, при этом восемь равномерно расположенных по окружности проходного отверстия элементов дросселирования имеют в сечении, перпендикулярном оси проходного отверстия, форму равнобедренного треугольника с 90° вершиной, обращенной к оси проходного отверстия, четыре из которых неподвижны, а другие четыре размещены между ними с возможностью перемещения в направлении оси проходного отверстия, и величина перемещения равна катету треугольника неподвижного элемента дросселирования (см. патент РФ на изобретение №2382924 «Клапан запорно-регулирующий», дата подачи 17.02.2009 г., опубликовано 27.02.2010 г.).
Кроме того, корпус и шаровой поворотный затвор могут быть снабжены совпадающими каналами с шариками для перемещения элементов дросселирования, причем в положении полного перекрытия проходного отверстия шарового поворотного затвора шарики в каналах занимают положение, обеспечивающее возможность поворота шарового затвора до герметичного перекрытия клапана. При этом привод клапана может быть снабжен автоматическим переключателем привода элементов дросселирования на привод шарового поворотного затвора и обратно.
Шаровой поворотный затвор может быть снабжен с обеих сторон проходного отверстия концентричными ему кольцевыми канавками на расстоянии от края проходного отверстия не менее ширины кольцевой канавки, а запорная часть шарового поворотного затвора с обеих сторон снабжена сменными кольцевыми керамическими элементами, уплотнительные поверхности которых идентичны уплотнительным поверхностям седел.
Недостатками известного устройства являются, прежде всего, повышенное гидравлическое сопротивление в проточной части конструкции, трудности, возникающие при эксплуатации в загрязненных и абразивных средах, а также ограниченная пропускная способность.
Известен клапан осевого потока, состоящий из жестко соединенных между собой наружного корпуса и внутреннего корпуса с седлом, образующих спрямленную осесимметричную проточную часть, из разгруженного плунжера с уплотнительной поверхностью при контакте с седлом и механизма осевого перемещения плунжера, размещенных коаксиально в наружном корпусе, при этом механизм осевого перемещения плунжера выполнен в виде герметичного линейного электропривода, обмотки статора которого расположены в наружном корпусе клапана, а ротор помещен в плунжере, при этом на плунжере установлен металлический сильфон, один конец которого соединен с ним, а другой его конец герметично соединен с наружным корпусом, обеспечивающим при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера к седлу по направлению движения рабочей среды (см. патент РФ на изобретение №2260731 «Клапан осевого потока», дата подачи 11.12.2003 г., дата публикации заявки 20.05.2005 г.).
Данный клапан имеет сложную, громоздкую конструкцию, обладающую пониженными характеристиками по электротехнической безопасности.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является регулирующий клапан осевого типа, предназначенный для трубопроводов с большим проходным сечением, встраиваемый вдоль оси трубопровода и состоящий из цельнолитого обтекаемого внешнего корпуса с входным и выходным отверстиями, при этом на корпусе выполнен перфорированный участок - трим, за счет которого происходит преобразование энергии потока и его равномерное распределение. В полости внешнего корпуса размещен цилиндрический внутренний корпус, в котором установлен шток с поршнем, при этом шток связан со шпинделем, который, в свою очередь, соединен с приводом, в качестве которого используют, например, пневматический или гидравлический привод. Линейное усилие привода передается от шпинделя клапана на шток поршня посредством расположенных перпендикулярно друг другу двух зубчатых реек, причем несколько зубьев находятся в постоянном зацеплении, благодаря чему устраняются мертвая зона и гистерезис. Со стороны выходного отверстия на конце штока смонтирован поршень, второй конец которого оснащен диском со сквозными отверстиями, служащими для прохода среды, а также выравнивания давления.
На внутренней поверхности внутреннего корпуса размещены опорные ребра, имеющие обтекаемую форму и служащие для снижения турбулентности и связанного с ней шума.
Клапан размещен в соединительном элементе, выполненном, в виде фланцевого соединения, с помощью которого клапан крепится к трубопроводу, связанному с линией нагнетания, при этом взаимосвязь фланцев и трубопровода осуществляется посредством крепежного соединения, в частности, болтового.
Все уплотнительные поверхности клапана снабжены герметичными уплотнениями, при этом для предотвращения выброса рабочей среды в атмосферу шпиндель также снабжен дополнительным уплотнением (см. Каталог продукции фирмы «MOKVELD», опубликованный 02.2010 г. MakveldValves Нидерланды, а также www.makveld.com).
Недостатки известного клапана осевого типа обусловлены сложностью конструкции, трудностями, связанными с осуществлением работы в агрессивных или абразивных средах, а также возможностью плавного регулирования потока среды.
Кроме того, крепление известного клапана к трубопроводной арматуре посредством болтового соединения значительно снижает надежность конструкции и увеличивает ее габариты.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции, повышение надежности при эксплуатации при высоких эксплуатационных параметрах рабочей среды, а также снижение турбулентности потока.
Указанный результат достигается тем, что клапан регулирующий осевого типа, устанавливаемый в трубопроводе и состоящий из корпуса с входным и выходным отверстиями, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещен поршень, связанный с помощью шпинделя с приводом, согласно полезной модели в корпусе, дополнительно соединенным с приводом посредством упора, выполнены центральное и коаксиально расположенные по отношению к нему периферийные сквозные отверстия, при этом в центральном отверстии размещен связанный со шпинделем посредством эксцентрика поршень, рабочие концы которого выполнены переменного сечения, а торец со стороны выходного отверстия снабжен износостойкой вставкой и выполнен конусным для ответного взаимодействия с седлом, установленным на выходном отверстии корпуса и размещенным в регулирующей втулке с образованием диффузора, в полость которого переходят периферийные отверстия.
В качестве привода используют импульсный взрывозащищенный электродвигатель.
Износостойкая вставка поршня и седло изготовлены из закаленных сталей или сплавов, а также спеченных твердых сплавов, коррозионно-стойких, керамических и композиционных материалов.
Шпиндель и поршень могут быть соединены между собой посредством реечной передачи.
Все уплотнительные поверхности снабжены герметичными уплотнениями, выполненными из эластичных материалов, например, резины.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели такому условию патентоспособности, как «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого устройства.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где
Фиг.1 - вид клапана спереди в разрезе;
Фиг.2 - вид клапана сбоку.
Заявляемый клапан регулирующий осевого типа состоит из корпуса 1 с входным и выходным отверстиями, устанавливаемого в трубопроводе посредством соединительного элемента, выполненного, например, в виде фланцевого соединения (на чертеже не показано), при этом торцы корпуса выполнены в виде уплотнительного кольца для ответного взаимодействия с соединительным фланцевым элементом. В корпусе 1 выполнены сквозные осевые отверстия, в том числе, центральное и несколько периферийных, расположенных коаксиально ему, при этом в центральном отверстии размещен поршень 2, рабочие концы которого выполнены переменного сечения, благодаря чему повышается точность настройки клапана. Переменные сечения рабочих концов поршня подбирают в зависимости от перепадов давления, возникающих при регулировании потока и, как правило, находящихся в диапазоне от 10 до 80 МПа. Давление на торец поршня со стороны входного отверстия корпуса является величиной постоянной и зависит только от технических характеристик насоса. На торец поршня со стороны выходного отверстия корпуса действует давление меньшей величины, которая может изменяться при регулировке. Исходя из возникающей разницы давлений на входе и выходе клапана, и, соответственно, усилий, возникающих на рабочих концах поршня, подбирают оптимальное соотношение сечений рабочих концов поршня.
Торец поршня 2 со стороны выходного отверстия выполнен в виде конуса и снабжен износостойкой вставкой 3. Периферийные сквозные отверстия, расположенные коаксиально центральному, служат для равномерного прохождения среды, а также выравнивания и сброса давления.
Выходное отверстие корпуса 1 оснащено седлом 4, расположенным в регулирующей втулке 5, которая смонтирована на корпусе, при этом седло 4 и регулирующая втулка 5 образуют диффузор, в полость которого переходят периферийные отверстия. На внешней поверхности регулирующей втулки выполнена резьба. Внутри седло 4 имеет форму сопла, служащего для ответного взаимодействия с рабочим торцом поршня 2 и соразмерного ему, при этом проходное сечение клапана определяется расположением поршня 2 по отношению к седлу 4. Диффузор выполнен с конусностью более 10°, что способствует предотвращению износа седла. Это связано с тем, что ядро потока жидкости определяет наименьший диаметр седла. В продольном сечении ядро потока имеет форму конуса, основанием которого является наименьший диаметр седла, а вершиной фокусировки - струя потока.
Турбулентная струя «отрываясь» от стенок диффузора, являющегося для ядра струи обратным конусом, не позволяет абразивным частицам интенсивно воздействовать на него.
При нулевом положении клапана (соответствующего положению «Закрыто») поршень 2 полностью перекрывает сопло 4 (выходное отверстие).
3
Периферийные отверстия соосны по направлению, как с осью трубопровода, так и с осью корпуса клапана, что позволяет потоку протекать внутри клапана без гидравлических сопротивлений в ламинарном режиме, причем отношение площади живого гидравлического сечения напорной трубы к общей площади периферийных отверстий не должно превышать значения, равного 2,7. Данное соотношение является оптимальным, так как при одновременном совпадении таких условий, как большое давление, например, 30 МПа, и значительные расходы потока абразивной среды, например, 2-4 тысячи м/сутки, приводят к быстрому износу сквозных отверстий и внутренних элементов клапана.
Износостойкая вставка поршня 3 и седло 4 изготовлены из закаленных сталей или сплавов, спеченных твердых сплавов, а также коррозионно-стойких, керамических и композиционных материалов, например, из сплава вольфрама с кобальтом. Применение указанных материалов обусловлено тем, что формирование общего потока среды осуществляется за счет потоков, проходящих через периферийные сквозные отверстия, и их последующее смешение в полости корпуса, которая сужается перед выходным отверстием, формируя общий поток непосредственно перед седлом. В этом случае основному износу подвергаются и конусная часть поршня, и седло. Регулирование потока жидкости практически от нуля до максимального значения основано на изменении положения поршня по отношению к седлу и характеризуется высокими скоростями истечения среды, что, в свою очередь, приводит к турбулентному режиму в зоне седла.
Гидравлические расчеты потока жидкости, протекающего через седло, являются подтверждением того, что критическое число Рейнольдса, равное 2320, и являющееся критерием параметров течения среды, значительно меньше оптимальных значений потока.
2
3
Помимо абразивного износа турбулентный поток приводит к возникновению внутри корпуса клапана кавитации и коррозии. Жидкость, протекающая по трубопроводу, имеет в своем составе песок твердостью 7 единиц по Моосу, окалину (FeO), а также различные по составу абразивные частицы и т.п., причем рН протекающей среды, как правило, или щелочная или кислая. Для предотвращения влияния всех перечисленных факторов рабочая часть поршня со стороны выходного отверстия снабжена износостойкой вставкой, которая взаимодействует с износостойким седлом.
Следует отметить, что керамические и твердосплавные материалы лучше работают при высокой твердости абразивных частиц и агрессивности среды. Коррозионно-стойкие материалы, например, аустенитная сталь 12Х18Н10Т, сталь Гадфильда 110Г13 и сталь 30Х13Г10 противостоят кавитации и коррозии. Закаленные стали и сплавы с твердостью, превышающей 7 единиц по Моосу, могут быть использованы в нейтральных жидкостях.
Поршень 2 посредством эксцентрика 6 соединен со шпинделем 7, который, в свою очередь, связан с приводом 8, представляющим собой, например, червячный редуктор или импульсный взрывозащищенный электродвигатель.
В случае увеличения проходного сечения клапана или при изготовлении клапана больших габаритных размеров, соединение шпинделя 7 с поршнем 2 может быть осуществлено посредством реечной передачи (на чертеже не показана).
Учитывая универсальность клапана, осуществляющего работу в широком диапазоне давлений (до десятков единиц, МПа) и для более надежного крепления клапана в системе трубопроводной арматуры используют упор 9, выполненный, например, в виде стержня, один конец которого жестко закреплен на корпусе, а на второй его конец установлен привод 8. Упор 9 обеспечивает стабильную работу и предназначен для предотвращения проворота привода, который может возникнуть при значительных усилиях регулировки с использованием самотормозящей системы привода - червячной передачи.
Привод 8 снабжен шкалой (на чертеже не показана), в соответствии с делениями которой задают исходное (начальное) рабочее положение поршня 2 по отношению к седлу 4, а, следовательно, задают соответствующее сечение для прохода среды, определяющее ее расход.
Все уплотнительные поверхности клапана снабжены герметичными уплотнениями, выполненными из эластичных материалов, например, резины.
Осуществление заявляемой полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.
Перед началом работы из нулевого положения, соответствующего положению клапана «Закрыто», с помощью привода поворачивают шпиндель по часовой стрелке, при этом поршень, связанный со шпинделем посредством эксцентрика, плавно перемещается вдоль оси клапана в сторону седла до тех пор, пока не достигнет по отношению к седлу положения, заданного по шкале. Таким образом, определяют сечение для прохода среды.
Поток движущейся по трубопроводу среды поступает в клапан через равномерно расположенные на торце корпуса периферийные сквозные отверстия, благодаря которым давление на торцах корпуса выравнивается, при этом в полости корпуса и в зоне диффузора снижается турбулентность, течение потока становится более устойчивым, что, в свою очередь, снижает износ конструктивных элементов и продлевает срок службы клапана.
Поток плавно перемещается к выходному отверстию.
Заявляемая полезная модель обладает преимуществами по сравнению с известными конструкциями, в частности, имеет упрощенную конструкцию, уменьшенные габариты, пониженный уровень турбулентности. Помимо этого, данное устройство характеризуется повышенной надежностью при эксплуатации и более длительным сроком службы. Повышенный ресурс клапана обусловлен использованием, в частности, при изготовлении поршня и седла, износостойких материалов. За счет отсутствия турбулентности снижается абразивный износ и устраняется вибрация корпуса клапана, и, как следствие, уменьшаются простои оборудования и затраты на его обслуживание. Данный клапан осевого типа внутри разгружен по давлению, благодаря чему обеспечиваются минимальные усилия при регулировке и, соответственно, высокая точность регулирования. Пропускная способность клапана данного типа на 50-100% выше, чем у известных конструкций.