КЛАПАН
VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, а именно к клапанам с пневматическим управлением, и предназначено для пуска и отсечки рабочего тела в широком диапазоне давлений, в том числе и в условиях низких температур. Изобретение может быть использовано в машиностроении, например в энергетических установках, в том числе и большой мощности, или в ракетной технике, например в двигательных установках.
Известен клапан запорно-регулирующий (патент RU 2298128 С2, МПК F16K 3/24, F16K 47/04), содержащий корпус с входным и выходным каналами, крышку с уплотнительной поверхностью, запорно-регулирующий двухступенчатый затвор со ступенчатой внутренней проточкой и отверстиями, разгруженный от действия рабочего давления, шток и привод.
К недостаткам запорно-регулирующего клапана следует отнести сложность изготовления клапана, повышенное гидросопротивление, неработоспособность агрегата в условиях низких температур, а также высокую массу агрегата для клапанов с большим проходным сечением.
Известен клапан запорно-регулирующий отсекающий (патент RU 2386880 С1, МПК F16K 3/24, F16K 39/02, F16K 47/02), содержащий корпус с входным и выходным каналами, запорный затвор, выполненный в виде штока с поршнем, с уплотнительной поверхностью и отверстиями, разгруженный запорно-регулирующий затвор, выполненный в виде ступенчатой втулки-плунжера с уплотнительной поверхностью, и седло, установленное в корпусе.
Недостатками указанного клапана являются: сложность изготовления, повышенное гидросопротивление и неработоспособность агрегата в условиях низких температур.
Известен регулирующий запорный клапан (заявка ЕР 0230849, МПК F16K 1/12), содержащий корпус с обтекаемым элементом на ребрах, затвор в виде поршня, шток с зубьями, зубчатую рейку и привод.
К недостаткам регулирующего запорного клапана при использовании его для пуска и отсечки рабочего тела следует отнести длительное время срабатывания по сравнению с клапанами с прямым пневматическим управлением и повышенные утечки по местам уплотнений.
Известен клапан (патент RU 2489626 С1, МПК F16K 1/12, F16K 15/02), содержащий корпус, выполненный из двух частей: корпуса и корпуса выхода с втулкой на ребрах и седлом, затвор со ступенчатой центральной проточкой, поршень и крышку.
К недостаткам указанного клапана следует отнести относительную сложность изготовления корпуса выхода и невозможность применения агрегата как при малых проходных сечениях клапана, так и при высоких входных давлениях рабочих тел.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности прототипом клапана является клапан со встроенным поршневым приводом (Справочник под редакцией Косых С.И. "Трубопроводная арматура с автоматическим управлением", издательство «Машиностроение» Ленинградское отделение, 1982, стр. 299, рис. 17.22), содержащий корпус входа с центральным телом на ребрах и внутренней глухой полостью, корпус выхода с седлом, центральную втулку со ступенчатой внутренней проточкой, в которую помещены поршень и шток, при этом на концевую часть штока установлен сварной разгруженный от рабочего давления затвор, взаимодействующий с внутренней проточкой, выполненной в глухой полости корпуса входа. В канавках, выполненных в центральном теле корпуса входа, центральной втулке, поршне и затворе, установлены уплотнительные элементы.
К недостаткам клапана со встроенным поршневым приводом, принятого в качестве прототипа, следует отнести сложность конструкции, повышенную утечку рабочего тела по поршню, в связи с отсутствием в поршне торцевого уплотнения, трудность обеспечения высокой герметичности по затвору в условиях многократных срабатываний при высоких рабочих давлениях, а также то, что после посадки затвора на седло полная отсечка рабочего тела происходит с некоторым запаздыванием, так как из полостей, находящихся во внутренней проточке глухой полости корпуса входа и внутри затвора, рабочее тело через отверстия в затворе будет продолжать поступать на выход клапана.
Задачами предлагаемого изобретения являются упрощение конструкции клапана и расширение возможностей его использования, с применением для пуска и отсечки рабочего тела в условиях многократных срабатываний при высоких давлениях и требованиях герметичности по поршню и затвору, а также обеспечение полной отсечки рабочего тела после посадки затвора клапана на седло.
Поставленная задача решается следующим образом.
В известном устройстве, содержащем корпус с центральным телом на ребрах с внутренней проточкой, поршень, шток и затвор, согласно изобретению во входной полости корпуса выполнены две внутренние проточки: малая и большая ступенчатая с седлом на торце, а в выходной полости выполнено седло по торцу внутренней проточки центрального тела, в которую установлены крышка и поршень с наружной проточкой и торцевым уплотнением, выполненный совместно со штоком, наружным диаметром поршень взаимодействует с внутренней проточкой центрального тела корпуса, а торцевым уплотнением контактирует с седлом, выполненным в центральном теле, шток взаимодействует с внутренним диаметром малой проточки, выполненной во входной полости корпуса, в которой в ступенях большой проточки последовательно установлены затвор с торцевым уплотнением, выполненный в виде втулки с внутренней полостью, через которое рабочее тело поступает в выходную полость корпуса, с дном в форме центрального тела на ребрах, кольцо и переходник входа с внутренней ступенчатой проточкой, при этом торец штока взаимодействует с торцом центрального тела затвора, который большим наружным диаметром взаимодействует с меньшим диаметром большой ступенчатой проточки корпуса, а меньшим наружным диаметром, выполненным равным или больше среднего диаметра торцевого уплотнения затвора, с большим диаметром внутренней проточки переходника входа.
В малую внутреннюю проточку корпуса установлено уплотнение в виде манжеты Г-образного сечения, на торце которого расположен уплотнительный выступ, взаимодействующее со штоком и торцом малой внутренней проточки корпуса.
В наружную проточку поршня установлено уплотнение в виде манжеты Г-образного сечения, на торце которого расположен уплотнительный выступ, взаимодействующее с внутренней проточкой центрального тела корпуса и торцом наружной проточки поршня.
По торцу кольца установлено уплотнение в виде манжеты Г-образного сечения, на торце которого расположен уплотнительный выступ, взаимодействующее с меньшим наружным диаметром затвора и торцом кольца.
Предлагаемый клапан представлен на Фиг. 1, где обозначено:
1 - корпус;
2 - центральное тело корпуса на ребрах;
3 - седло во входной полости корпуса;
4 - малая проточка входной полости корпуса;
5 - большая ступенчатая проточка входной полости корпуса;
6 - седло во внутренней проточке центрального тела выходной полости корпуса;
7 - переходник входа;
8 - кольцо;
9 - затвор;
10, 15, 16 - манжета;
11 - центральное тело затвора;
12- шток;
13 - поршень;
14 - крышка;
17 - уплотнение;
18, 19 - пружины;
20 - переходник выхода;
21 - направляющая втулка;
22, 23, 24 - опора;
25, 26, 27 - прорезная пружина;
28, 29, 30 - гайка.
Клапан содержит корпус 1 с центральным телом на ребрах 2, входную полость с седлом 3 и внутренними проточками малой 4 и большой ступенчатой 5, а также выходную полость с седлом 6, выполненным во внутренней проточке центрального тела корпуса 2. Во входную полость корпуса установлены переходник входа 7, кольцо 8 и затвор 9, контактирующий с седлом 3 и взаимодействующий большим наружным диаметром с меньшим диаметром, выполненным в большой ступенчатой проточке 5, а меньшим наружным диаметром - с большим диаметром внутренней проточки переходника входа 7. Для герметичного разделения входной и выходной полостей клапана по меньшему наружному диаметру затвора 9 и торцу кольца 8 установлена манжета 10, при этом торец центрального тела затвора 11 взаимодействует с торцом штока 12, который выполнен совместно с поршнем 13 и установлен вместе с крышкой 14 во внутреннюю проточку центрального тела корпуса 2. В поршне 13 выполнены две проточки, в которые установлены манжета 15, предназначенная для снижения утечек по линии управления, и торцевое уплотнение. Наружный диаметр поршня 13 взаимодействует с внутренней проточкой центрального тела корпуса 2, торцевое уплотнение поршня контактирует с седлом 6, диаметр штока 12 взаимодействует с внутренним диаметром малой проточки 4, в которую для герметичного разделения входной и управляющих полостей клапана установлена манжета 16, взаимодействующая со штоком и торцом малой проточки корпуса 4.
Для установки затвора 9 со стороны входной полости корпуса 1 и герметичного разделения входной и выходной полостей клапана в большой ступенчатой проточке входной полости корпуса 5 выполнено кольцо 8 и установлено уплотнение 17.
В корпусе 1 клапана также установлены пружины 18 и 19, предназначенные для обеспечения заданного положения затвора 9 и поршня 13 со штоком 12, до и после срабатывания клапана, в выходной полости клапана установлен переходник выхода 20, во внутреннюю проточку которого помещена направляющая втулка 21. Манжеты 10, 15 и 16 поджаты опорами 22-24 с помощью прорезных пружин 25-27 и гаек 28-30.
Клапан работает следующим образом. По команде на открытие клапана через штуцер "Упр." подается управляющее давление, которое попадает в управляющую полость корпуса 1 и, воздействуя на эффективную площадь поршня 13, преодолевает усилие от перепада давлений на затворе 9 и штоке 12 и усилие пружин 18 и 19, перемещая затвор 9 до посадки поршня 13 со штоком 12 на седло 6 корпуса, проходное сечение клапана открывается, и рабочее тело через внутреннюю полость затвора 9 поступает из входной полости клапана в выходную, при этом для обеспечения открытия клапана при высоких рабочих и невысоких управляющих давлениях затвор 9 выполнен разгруженным, для чего меньший наружный диаметр затвора 9 выполнен равным или больше среднего диаметра торцевого уплотнения затвора.
Для закрытия клапана управляющее давление сбрасывается из штуцера "Упр.", затвор 9 перемещается под действием перепада давлений рабочего тела на нем и усилия пружины 18. Перемещению же поршня 13 со штоком 12 способствуют усилие от пружины 19 и перепад давления рабочего тела на штоке 12, затвор 9 торцевым уплотнением садится на седло 3, закрывая проходное сечение клапана по линии "Вход-Выход".
Так как использование клапана планируется в энергетических установках, в том числе и большой мощности, или в ракетной технике, например в двигательных установках, детали клапана выполнены из следующих сталей: 07Х16Н6-Ш для корпуса 1, переходника входа 7, затвора 9, штока 12, поршня 13, крышки 14, переходника выхода 20; 07Х16Н6 для прорезных пружин 22-24, опор 25-27, гаек 28-30; 12Х18Н10Т для пружин 18, 19 и фторопласта - 4 для торцевых уплотнений затвора и поршня, а также манжет 10, 15, 16.
Применение указанного изобретения в изделиях машиностроения позволяет: упростить конструкцию клапана, расширить возможности его использования, с применением для пуска и отсечки рабочего тела в условиях многократных срабатываний при высоких давлениях рабочих тел и требованиях герметичности по поршню и затвору, с обеспечением полной отсечки рабочего тела после посадки затвора клапана на седло.