КЛАПАН ЗАПОРНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ НОРМАЛЬНО ОТКРЫТЫЙ
NORMALLY OPEN ELECTROMAGNETIC SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к автоматической арматуре с дистанционным управлением. Клапан запорный электромагнитный нормально открытый (далее клапан) предназначен для автоматического перекрытия потоков газообразных сред на газопроводах систем газораспределения и газопотребления природного газа. Клапан может использоваться в блоке газооборудования автоматического и служит для обеспечения безопасности при розжиге газовых горелок и их последующей работы.
Известны быстродействующие электромагнитные клапаны нормально-открытого типа с запирающим элементом (затвором), которые преимущественно применяются в качестве защитного устройства, обеспечивающего открытие для рабочей среды трубопровода безопасности в случае отключения напряжения в электрической цепи управления клапаном, в том числе и несанкционированного, а также предотвращающего возникновение аварийной ситуации.
Известен нормально-открытый электромагнитный клапан (заявка на изобретение RU 2009118922 A, кл. F16K 31/02, опубл. 27.11.2010 г.), содержащий корпус с проточной частью, затвор, электромагнитный привод, разделительную трубку, в нижней части которого расположено седло, сердечник, к которому через тягу крепится затвор, возвратную пружину, расположенную в сердечнике. Недостатком является необходимость использования магнита большой мощности. С увеличением проходного сечения клапана увеличивается необходимая для установки клапана в закрытое положение мощность электромагнита. С ростом мощности увеличивается масса и, соответственно, рабочая температура электромагнитного привода, что ведет к снижению надежности клапана. Кроме того, в известном нормально открытом электромагнитном клапане для обеспечения герметичности между входным и выходным патрубками помимо уплотнения в седле установлено дополнительное уплотнение между корпусом и затвором. Дополнительное уплотнение, установленное в корпусе, из-за возвратно-поступательного движения затвора подвергается интенсивному изнашиванию, и, следовательно, нарушается герметичность, что снижает надежность известной конструкции и срок эксплуатации.
Для создания экономичной для эксплуатации конструкции запорного клапана, при использовании его в системах высокого давления используют клапаны с разгрузкой от осевых сил. Для этого в конструкции клапана помимо основного запорного органа применяют пилотный клапан с уменьшенной неразгруженной от давления площадью. При подаче команды на открытие клапана, питание на катушку прекращается и открытие клапана осуществляется пружиной сжатия. Усилие, необходимое для открывания пилотного клапана, определяется его размерами и давлением рабочей среды. Это позволяет использовать пружину сжатия с уменьшенными силовыми характеристиками, а это в свою очередь позволяет уменьшить потребляемый ток при закрытии клапана, когда пружина сжатия подвергается сжатию. К таким клапанам относится известный электромагнитный клапан (патент на полезную модель RU 77658 U1, кл. F16K 31/02, опубл. 27.10.2008 г.), принятый в качестве прототипа. Известный электромагнитный клапан является нормально открытым и содержит корпус, в полости которого выполнено седло, электромагнит, расположенный на корпусе, затвор, расположенный в корпусе, пилотный клапан, расположенный во внутренней полости затвора, возвратную пружину, расположенную между корпусом и затвором, и дополнительную возвратную пружину, расположенную между затвором и пилотным клапаном, шток, соединенный с пилотным клапаном и взаимодействующий с якорем через упор и пружину. Для закрытия затвора в известном клапане движущийся якорь должен преодолеть усилие двух возвратных пружин, что ведет к снижению надежности работы клапана.
Известно, что для закрытия запорного электромагнитного нормально открытого клапана (кратковременный режим) необходим ток, значительно превышающий ток, необходимый для удержания клапана (длительный режим). В известных клапанах отсутствуют средства, позволяющие изменять ток, подаваемый на электромагнит. Следовательно, при работе клапанов в режиме закрытия и удержания на электромагнит подается ток, необходимый для закрытия. Это приводит к нагреву катушки и, следовательно, к уменьшению срока службы электромагнита, а также к перерасходу электроэнергии.
Кроме того, в известных электромагнитных клапанах отсутствуют датчики положения затвора, что снижает удобство работы и сужает сферу применения клапана.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение расхода электроэнергии, потребляемой электромагнитом, повышение надежности и потребительских свойств клапана, обеспечение информативности о положении затвора.
Технический результат достигается тем, что клапан запорный электромагнитный нормально открытый содержит корпус с впускным и выпускным каналами, в котором выполнено седло затвора, затвор, расположенный в корпусе, пилотный клапан, расположенный в затворе, направляющую втулку, соединенную с корпусом, электромагнит, магнитопровод которого расположен на направляющей втулке, стакан с крышкой, расположенный на верхнем фланце электромагнита, узел управления клапаном, расположенный в стакане, шток, соединенный с пилотным клапаном и взаимодействующий с якорем электромагнита через упор и пружину, пружину сжатия, установленную с возможностью противодействия перемещению штока в направлении закрытия клапана, при этом якорь электромагнита расположен в направляющей втулке. Клапан содержит индуктивный датчик положения затвора. Затвор и пилотный клапан имеют уплотнительные кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - клапан в положении «открыт» с расположением индуктивного датчика в торцевой стенке корпуса.
Фиг.2 - клапан в положении «закрыт».
Фиг.3 и Фиг.4 - клапан с расположением индуктивного датчика в боковой стенке корпуса.
Клапан запорный электромагнитный нормально открытый содержит следующие элементы:
1 - корпус;
2 - индуктивный датчик;
3 - седло затвора;
4 - направляющая втулка;
5 - затвор;
6 - пилотный клапан;
7 - шток;
8 - штифт;
9 - якорь;
10 - упор;
11 - пружина упора;
12 - полюс;
13 - стопорное кольцо;
14 - седло пилотного клапана;
15 - первая тарелка;
16 - разрезное кольцо;
17 - вторая тарелка;
18 - пружина сжатия;
19 - заглушка;
20 - стопорное кольцо;
21 - сквозные отверстия в затворе;
22 - отверстия в пилотном клапане;
23 - кольца;
24 - магнитопровод;
25 - катушка электромагнита;
26 - нижний фланец;
27 - верхний фланец;
28 - стакан;
29 - узел управления клапаном;
30 - крышка;
31 - стопорное кольцо;
32 - заглушка;
33 - уплотнительное кольцо пилотного клапана;
34 - уплотнительное кольцо затвора.
Клапан содержит корпус 1 проходного типа, электромагнит, установленный на торцевой поверхности корпуса 1, и индуктивный датчик 2 положения «закрыто». Корпус имеет входной и выходной патрубки. Внутри корпуса выполнено седло 3 для затвора. Корпус 1 соединен с направляющей втулкой 4 с помощью резьбы через уплотнительное кольцо. Внутренняя полость корпуса 1 и внутренняя полость направляющей втулки 4 образуют замкнутую полость для прохода рабочей среды. Внутри корпуса расположен затвор 5, предназначенный для закрытия прохода в седле 3 затвора. В затворе 5 выполнена внутренняя полость, в которой расположен пилотный клапан 6. Пилотный клапан 6 соединен со штоком 7 при помощи штифта 8, расположенного в отверстиях пилотного клапана и штока, при этом часть штока расположена во внутренней полости пилотного клапана. Шток 7 взаимодействует с якорем 9 электромагнита, установленным во внутренней полости направляющей втулки 4, через упор 10, жестко соединенный с якорем 9, и через пружину 11 упора. Пружина 11 упора позволяет штоку 7 совершать осевое перемещение относительно якоря 9. Во внутренней полости направляющей втулки 4 расположен полюс 12 электромагнита, имеющий вид трубки, во внутренней полости которой расположен шток 7. Полюс 12 зафиксирован от осевого перемещения стопорным кольцом. Перемещение пилотного клапана 6 в полости затвора 5 ограничено стопорным кольцом 13 и седлом 14 пилотного клапана, которое может быть выполнено как отдельная деталь, установленная в торец затвора 5. Перемещение затвора 5 в корпусе 1 ограничено первой тарелкой 15 с центральным отверстием и седлом 3 затвора. На штоке разрезным кольцом 16 закреплена вторая тарелка 17. Между двух тарелок расположена пружина сжатия 18. Внутреннее пространство направляющей втулки 4 заглушено заглушкой 19, перемещение которой зафиксировано стопорным кольцом 20. Якорь 9 электромагнита, упор 10, жестко закрепленный на якоре, пружина 11 упора, шток 7, полюс 12 и пружина сжатия 18 расположены по одной оси. В цилиндрической стенке затвора 5 выполнены сквозные отверстия 21, соединяющие внутреннюю полость корпуса и внутреннюю полость затвора. В пилотном клапане 6 выполнены отверстия 22, соединяющие внутреннюю полость затвора с внутренней полостью пилотного клапана. Между корпусом 1 и внешней цилиндрической поверхностью затвора 5 установлены кольца 23.
На торцевой поверхности затвора 5 установлено уплотнительное кольцо 34, а на торцевой поверхности пилотного клапана 6 установлено уплотнительное кольцо 33. Седла затвора и пилотного клапана имеют вид кольцевых выступов. При закрытии клапана седла вдавливаются в уплотнительные кольца 33 и 34 из эластичного материала.
Электромагнит содержит: якорь 9, полюс 12, магнитопровод 24, расположенный на направляющей втулке 4, катушку электромагнита 25, нижний фланец 26 и верхний фланец 27, выполняющие роль нижнего и верхнего полюсов, стакан 28 и крышку 30, навинченную на стакан. Стакан 28 расположен на верхнем фланце 27 и зафиксирован от перемещения стопорным кольцом 31. В стакане расположен узел 29 управления клапаном. Питание к узлу управления клапаном подается через вилку, расположенную в стенке стакана.
В торце корпуса, противоположном торцу с установленной направляющей втулкой и электромагнитом (смотри фиг.1 и фиг.2), установлен индуктивный датчик 2 положения «закрыто». Индуктивный датчик 2 может быть расположен на боковых сторонах корпуса, перпендикулярно направлению потока (смотри фиг.3 и фиг.4). В этом случае в корпусе выполнены резьбовые отверстия, в одном из которых установлена заглушка 32, а в другом - индуктивный датчик 2 закрытого состояния клапана. Индуктивный датчик 2 и заглушка 32, для удобства при эксплуатации, могут быть переставлены. Сигнал электрический состояния клапана снимается с соединителя индуктивного датчика.
Работа клапана происходит следующим образом.
Исходное состояние клапана - нормально открытое. В этом состоянии катушка 25 электромагнита и узел 29 управления клапаном обесточены, затвор 5 открыт и удерживается пружиной сжатия 18 в открытом состоянии. Пилотный клапан 6 открыт и упирается в стопорное кольцо 13. Якорь 9 упирается в заглушку 19. Индуктивный датчик 2 положения разомкнут (сигнал «открыто»).
В режиме «закрытия» клапана подается управляющий сигнал на узел 29 управления клапаном, а с него на катушку 25 электромагнита подается напряжение. При этом якорь 9 движется в направлении «стопа». Якорь 9 воздействует на шток 7 через упор 10 и пружину 11 упора. Пилотный клапан 6 движется до седла 14, после чего воздействует на затвор в направления его закрытия. При этом, через сквозные отверстия 21, выполненные в стенке затвора, рабочая среда поступает из полости корпуса, соединенной с входным патрубком, во внутреннюю полость затвора и через отверстия 22 в пилотном клапане поступает в полость над затвором 5. Это позволяет перемещать затвор не только за счет движения якоря 9, но и за счет давления рабочей среды на затвор 5. Когда затвор 5 перекрывает проход в седле 3, срабатывает индуктивный датчик 2. При движении затвора в направлении закрытия пружина сжатия 18 сжимается, что противодействует перемещению штока 7, и расстояние между полюсом 12 и якорем 9 уменьшается и якорь 9 садится на «стоп» полюса 12. В режиме «закрытия клапана» на катушку подается ток, достаточный для закрытия клапана. Этот режим длится не более 4 с. После этого узел 29 управления клапаном снижает ток на катушке в несколько раз и уменьшенный ток, достаточный для режима «удержания» клапана в закрытом состоянии, подается на катушку все время до момента открытия клапана. Использование узла 29 управления клапаном позволяет снизить потребление электроэнергии при эксплуатации клапана запорного электромагнитного нормально-открытого.
Для открытия клапана отключается питание узла 29 управления клапаном. Пружина сжатия 18, закрепленная на штоке 7, увлекает за собой шток, тем самым перемещает сердечник 9 и открывает пилотный клапан 6. Давления в полостях входного и выходного патрубков выравниваются. Это позволяет пружине сжатия 18 открыть затвор клапана.