МОТОРНЫЙ КЛАПАН С ПОВОРОТНОЙ ПРОБКОЙ
MOTOR VALVE WITH ROTARY PLUG

Область техники
Изобретение относится к конструкции быстродействующих моторных клапанов с осесимметричными седлами и поворотными (цилиндрическими, коническими, а преимущественно шаровыми) пробками. Такие клапаны предназначены для точного регулирования потоков произвольных текучих сред на основе жидкостей и/или газов и запирания-отпирания вакуумных магистралей.
Уровень техники
Ныне общеизвестны клапаны с поворотными пробками и ручными приводами поворота пробок. Такие клапаны широко используют в бытовых, лабораторных и промышленных распределительных сетях газо- или водоснабжения для запирания-отпирания соответствующих трубопроводов и регулирования расхода газов и жидкостей в случаях, когда поворот пробки посилен для человека, а быстродействие клапана и угловая точность позиционирования пробки в седле не являются критическими параметрами.
Однако в энергетике (особенно на тепловых и атомных электростанциях), в химической и даже пищевой промышленности, не говоря уже о нефте- и газопроводах, остро ощущается потребность в таких надежных и быстродействующих клапанах, у которых пусковой крутящий момент существенно превосходит возможности человека и которые должны обеспечивать точность позиционирования пробок относительно седел (и геометрических осей входных и выходных патрубков) на уровне нескольких угловых секунд. Существует также потребность в высокоточных микроклапанах, у которых пусковой крутящий момент, необходимый для преодоления залипания пробки относительно седла, намного меньше крутящего момента, который способен развить человек. Такими клапанами оснащают, например, трубопроводную обвязку лабораторных приборов типа хроматографов, объемные дозаторы жидких лекарственных форм в фармацевтической промышленности и т.п.
Поэтому в промышленном оборудовании и в устройствах для научных исследований широко применяют моторные клапаны с поворотными пробками (см., например:
1. сайт http://www.samson.de фирмы ”SAMSON”, Germany, модели: Type 3241-4, Type V2001-E1, Type V2001-E-3, Type 3222/5825, Type 3213/5825, Type 3260/3374, Type 3241-4;
2. сайт www.joventa.at фирмы ”Joventa”, Austria, model DAN1.SN).
Известные из указанных источников клапаны оснащены «классическими» электродвигателями постоянного или переменного тока. Поэтому между выходными валами таких двигателей и штоками поворотных пробок клапанов приходится включать многоступенчатые редукторы для доведения скорости вращения до нескольких оборотов в минуту и пусковых крутящих моментов до уровня, достаточного для преодоления залипания пробки относительно седла (которое особенно характерно для шаровых клапанов даже в тех случаях, когда они встроены в низконапорные трубопроводы). Мало того, торможение блока «классический электродвигатель - многоступенчатый редуктор» с фиксацией выходного вала редуктора и сцепленной с ним поворотной пробки клапана само по себе оказывается довольно сложной технической задачей.
Соответственно, для перевода поворотных пробок клапанов с указанными электродвигателями из положения «открыто» в положение «закрыто» (или наоборот) нередко требуется время от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Это допустимо, если моторный клапан с поворотной пробкой установлен на магистральном нефте- или газопроводе, но совершенно неприемлемо, когда клапан должен обеспечить отсечку подачи сырья, например этилена, во взрывоопасный аппарат синтеза полиэтилена при высоком (около 250 МПа) давлении.
Далее блок «классический электродвигатель - многоступенчатый редуктор» даже при заметном фрикционном взаимодействии между кинематическими звеньями редуктора сам по себе не может обеспечить точность углового позиционирования пробок менее 3°. Поэтому клапанные устройства обычно оснащены сложными и дорогими средствами управления (см., например, сайт https://pia.khe.siemens.com/index,asp?Nr=1239 фирмы SIEMENS, Germany, где на примере изделия SIPART PS2 описан «разумный» привод позиционирования возвратно-поступательно перемещаемых золотников или поворотных пробок, что по-английски обозначено как” an intelligent positioner for linear and rotary valves, double and single-acting actuators”).
Моторный клапан с поворотной пробкой, который наиболее близок к предлагаемому далее клапану по технической сущности рекламирует корейская фирма Daehan Control Tech Co., LTD (http://www.daehancontec.com/powerv2/products/products1.htm). Известный клапан, который предназначен служить отсекателем на трубопроводах высокого давления, принадлежит к SMART VALVE POSITIONER SSL&SSR Series. Он имеет:
корпус с по меньшей мере одним входным и по меньшей мере одним выходным патрубками для подключения к трубопроводной системе,
осесимметричное седло, жестко закрепленное внутри корпуса,
поворотную пробку, которая посажена в указанное седло и оснащена штоком для подключения к выходному валу привода вращения, и
привод вращения указанной пробки на основе пневмодвигателя, снабженный средствами для подключения к системе управления.
Выходной вал ротора пневмодвигателя кинематически связан с пробкой клапана через громоздкий многоступенчатый редуктор, поскольку крутящий момент, развиваемый пневмодвигателями, можно регулировать изменением давления свежего рабочего тела только в узких пределах. Трубопровод для питания пневмодвигателя сжатым воздухом оснащен пьезоэлектрическим клапаном-отсекателем. Система управления моторным клапаном оснащена датчиком углового положения пробки относительно седла.
Таким образом, включение громоздкой многоступенчатой механической трансмиссии между выходным валом пневмодвигателя и штоком пробки:
во-первых, существенно увеличивает массу и габаритные размеры моторного клапана в целом,
во-вторых, удлиняет время срабатывания (которое обычно превышает 10 с), и,
в-третьих, из-за неизбежных люфтов не позволяет позиционировать поворотную пробку относительно седла с угловой точностью менее 1°.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу изобретения положена задача путем замены двигателя и сокращения длины кинематической цепи между ротором двигателя и штоком пробки создать такой моторный клапан с поворотной пробкой, который имел бы (в сравнении с известным уровнем техники) существенно меньшие габаритные размеры и массу и повышал бы быстродействие и точность углового позиционирования пробки относительно седла.
Поставленная задача решена тем, что моторный клапан с поворотной пробкой согласно изобретению имеет:
(а) корпус с по меньшей мере одним входным и по меньшей мере одним выходным патрубками для подключения к трубопроводной системе;
(б) осесимметричное седло, жестко закрепленное внутри корпуса;
(в) поворотную пробку, которая посажена в указанное седло и имеет шток для подключения к приводу вращения; и
(г) упомянутый привод вращения на основе пьезоэлектрического двигателя, который имеет:
кольцевой пьезоэлектрический генератор радиально направленных стоячих акустических волн, который жестко связан с корпусом клапана и снабжен средствами для подключения к импульсному источнику тока и к системе управления,
упругое кольцо, которое акустически плотно связано с указанным пьезоэлектрическим генератором и оснащено по меньшей мере одним упругим храповым толкателем, и
ротор, который расположен с равномерным зазором относительно указанного пьезоэлектрического генератора, введен во фрикционный контакт с указанным по меньшей мере одним упругим храповым толкателем и кинематически связан со штоком поворотной пробки.
Выходную мощность, частоту срабатывания и «старт-стопный» или квазинепрерывный режим работы указанного пьезоэлектрического генератора можно легко регулировать в широких пределах с помощью хорошо известных специалистам регулируемых источников импульсного тока. Соответственно, удается обеспечивать высокие (до 100 N*m) крутящие моменты, которые в подавляющем большинстве случаев достаточны для преодоления залипания поворотной пробки относительно седла. Далее высокая (обычно до 1 МГц) частота механических колебаний в виде радиально направленных стоячих акустических волн обеспечивает быстродействие клапана при переходе между положениями «открыто» и «закрыто» не более 0,5 с и возможность позиционирования поворотной пробки относительно седла на уровне нескольких угловых секунд. При этом упругие храповые толкатели эффективно обеспечивают не только передачу крутящего момента от указанного упругого кольца, которое радиально пульсирует в такт с механическими колебаниями пьезоэлектрического генератора, но и эффективно стопорят поворотную пробку в заданном положении при каждом прерывании работы импульсного источника тока.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что указанное упругое кольцо оснащено по меньшей мере двумя упругими храповыми толкателями, которые прикреплены на практически равных угловых расстояниях один от другого. Это уменьшает вероятность проскальзывания указанного кольцевого ротора относительно толкателей при каждом очередном запуске пьезоэлектрического генератора и облегчает стопорение ротора и поворотной пробки при каждом очередном выключении импульсного источника тока.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что указанное упругое кольцо имеет форму кольцевой оболочки и акустически плотно охватывает указанный пьезоэлектрический генератор по его боковой поверхности, а указанный по меньшей мере один упругий храповой толкатель прикреплен к стенке указанной кольцевой оболочки. В такой конструкции каждый упругий храповой толкатель будет практически равномерно нагружен как при передаче крутящего момента на ротор, так и при его стопорении.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что указанный ротор жестко связан со штоком поворотной пробки. Такая кинематическая связь в большинстве случаев достаточна для эффективной работы предложенного клапана.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что указанный ротор снабжен по меньшей мере одним маркером углового положения, а на указанном корпусе клапана установлен по меньшей мере один сенсор.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что каждый указанный маркер выполнен в виде постоянного магнита и каждый указанный сенсор выполнен в виде магнитоэлектрического преобразователя.
Шестое дополнительное отличие состоит в том, что моторный клапан оснащен системой управления, содержащей:
задатчик тактовой частоты;
импульсный усилитель-прерыватель, который подключен:
к подходящему источнику электропитания,
к управляющему выходу задатчика тактовой частоты, и
к электрическому входу кольцевого пьезоэлектрического генератора радиально направленных стоячих акустических волн; и
формирователь режимов работы привода клапана, который подключен к дополнительным управляющим входам указанного импульсного усилителя-прерывателя и по цепи обратной связи к выходу каждого сенсора и обеспечивает режим «старт - стоп» для открывания и закрытия клапана, или псевдонепрерывный режим «шаг за шагом» для точного регулирования расхода текучей среды, протекающей через клапан.
Краткое описание чертежей
Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы моторного клапана со ссылками на приложенные чертежи, где изображены на:
фиг.1 - аксонометрическая проекция предложенного клапана с пьезоэлектрическим двигателем (поворотная пробка в положении «открыто», дополнительно показаны элементы системы управления клапаном);
фиг.2 - то же, что на фиг.1 в уменьшенном масштабе (поворотная пробка в положении «закрыто»).
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Предложенный клапан имеет (см. фиг.1 и 2):
полый проточный корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками для подключения к трубопроводу и осесимметричным (в частности, цилиндрическим, коническим или, как показано на чертежах, сферическим) седлом 4, которое жестко закреплено внутри корпуса 1 (в частности, выполнено заодно с ним);
поворотную (в частности, цилиндрическую, коническую или, как показано на чертежах, сферическую) пробку 5, которая посажена в седло 4 и имеет в верхней части (в частности, ступенчатый) шток 6;
привод вращения пробки 5 на основе пьезоэлектрического двигателя 7.
Этот двигатель 7 имеет
кольцевой пьезоэлектрический генератор 8 радиально направленных стоячих акустических волн, который жестко связан с корпусом 1 клапана и снабжен средствами для подключения к обозначенному далее импульсному источнику тока и к системе управления, также описанной далее,
упругое кольцо 9, которое акустически плотно связано с указанным пьезоэлектрическим генератором 8 и оснащено по меньшей мере одним упругим храповым толкателем 10 (а предпочтительно по меньшей мере двумя такими толкателями 10, которые прикреплены к кольцу 9 на практически равных угловых расстояниях один от другого), и
ротор 11, который расположен с равномерным зазором относительно указанного пьезоэлектрического генератора 8, введен во фрикционный контакт с указанным по меньшей мере одним упругим храповым толкателем 10 и кинематически связан со штоком 6 поворотной пробки 5.
Этот ротор 11 обычно имеет форму цилиндрической оболочки с крышкой, которая имеет центральное отверстие для свободного размещения хвостовика штока 6 и расположена с равномерным зазором над верхним торцом кольцевого пьезоэлектрического генератора 8.
Указанное упругое кольцо 9 может иметь форму кольцевой оболочки, которая акустически плотно охватывает пьезоэлектрический генератор 8 по его боковой поверхности, как это показано на чертежах. В такой конструкции каждый упругий храповой толкатель 10 прикреплен одним концом к боковой стенке кольца 9, а другим концом введен во фрикционный контакт с ротором 11 с внутренней стороны той его части, которая имеет форму цилиндрической оболочки.
Специалистам понятно, что упругое кольцо 9 может иметь форму диска с центральным отверстием, который акустически плотно присоединен к верхнему торцу пьезоэлектрического генератора 8, хотя это вариант воплощения изобретения и не показан особо на чертежах. Также понятно, что в этом случае каждый упругий храповой толкатель 10 должен быть прикреплен одним концом к верхнему торцу дискообразного кольца 9, а другим концом введен во фрикционный контакт с ротором 11 с внутренней стороны его крышки.
В простейших случаях ротор 11 жестко связан со штоком 6 поворотной пробки 5. Однако в некоторых случаях для кинематической связи ротора 11 со штоком 6 могут быть использованы подходящие муфты и/или одноступенчатые понижающие или повышающие передачи вращения.
Ротор 11, как правило, имеет по меньшей мере один маркер 12 углового положения. Соответственно, на корпусе 1 клапана обычно установлен по меньшей мере один сенсор 13. Удобно, когда каждый такой маркер 12 выполнен в виде постоянного (микро)магнита, а каждый сенсор 13 представляет собою магнитоэлектрический преобразователь, включенный в систему управления клапаном согласно изобретению.
Желательно, чтобы такая система управления (см. фиг.1) имела:
предпочтительно программируемый задатчик 14 тактовой частоты (которую обычно выбирают в интервале от 100 кГц до 1,0 МГц),
импульсный усилитель-прерыватель 15, который подключен:
к не показанному на чертежах подходящему источнику электропитания, к управляющему выходу задатчика 14, который задает тактовую частоту, и к электрическому входу (то есть к не показанным здесь обкладкам) кольцевого пьезоэлектрического генератора 8 радиально направленных стоячих акустических волн,
формирователь 16 режимов работы привода клапана, в том числе:
режима «старт-стоп» для открывания и закрытия клапана, или псевдонепрерывного режима «шаг за шагом» для точного регулирования расхода текучей среды, протекающей через клапан.
Этот формирователь 16 подключен, как правило, к дополнительным управляющим входам импульсного усилителя-прерывателя 15 и по цепи обратной связи к выходу каждого сенсора 13.
Дополнительно следует отметить:
во-первых, возможность изготовления предложенного клапана с несколькими входными 2 и/или выходными 3 патрубками;
во-вторых, возможность изготовления корпуса 1 с патрубками 2 и 3 и седлом 4 и пробки 5 из широкого ассортимента подходящих металлических, и/или керамических, и/или полимерных материалов, которые известным для специалистов образом могут быть выбраны с учетом температуры, и/или химической агрессивности, и/или абразивных свойств текучих сред;
в-третьих, возможность изготовления седла 4 и/или поворотной пробки 5 с антифрикционными (постоянными или сменными) покрытиями; и,
в-четвертых, возможность произвольного комбинирования указанных выше дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом.
Описанный моторный клапан работает следующим образом.
Вначале включают задатчик 14 (или настраивают программируемый задатчик 14 на желаемую тактовую частоту или на набор таких частот) и задают желаемый режим работы привода клапана формирователем 16.
Далее подключают импульсный усилитель-прерыватель 15 к не показанному на чертежах подходящему источнику электропитания.
Кольцевой пьезоэлектрический генератор 8 под действием силовых импульсов, поступающих с выхода импульсного усилителя-прерывателя 15, генерирует радиально направленные стоячие акустические волны. Эти волны деформируют упругое кольцо 9. Оно стремится изогнуть каждый подключенный к нему упругий храповой толкатель 10 и, тем самым, заставляет его передавать механический импульс на ротор 11, который поворачивает пробку 5 клапана относительно седла 4.
Несколько (обычно два-три) следующих один за другим силовых импульсов обеспечивают поворот пробки 5 относительно седла 4 примерно на 1” (одну угловую секунду).
В промежутках между силовыми импульсами каждый упругий храповой толкатель 10 стопорит ротор 11 и, соответственно, пробку 5 относительно седла 4. Предел точности позиционирования пробки 5 также примерно равен 1” (одной угловой секунде).
Сенсоры 13, неподвижные относительно корпуса 1, фиксируют положение маркеров 12, поворачивающихся вместе с ротором 11. Данные о текущем (фактическом) угловом положении поворотной пробки 5 относительно седла 4 учитывает формирователь 16 режимов работы привода клапана.
Промышленная применимость
1
4
Эксперименты на моторном клапане согласно изобретению с проходным диаметром / дюйма (1/4”) дали следующие результаты:
время открывания (закрытия), с
менее 0,5
точность позиционирования
(угловой шаг), угловая секунда
1,0
время отклика (т.е. формирования
минимального углового шага), мкс
50
масса клапана с приводом, г
250
напряжение питания, В
12
потребляемая мощность, Вт
4-6
Такие клапаны можно применять для быстрой отсечки и/или высокоточного регулирования расхода произвольных текучих сред.