КЛАПАН ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ
MULTIPURPOSE VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды.
Известен клапан (см. RU 2163318 С1, кл. F16К 1/12, 20.02.2001), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде диска.
Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу при отпирании и запирании больших усилий, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент. Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и/или больших подачах, так как сила, действующая на клапан под действием давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально давлению и площади запорного элемента.
Известен клапан (см. RU 2159857 С2, кл. F01L 7/04, 27.11.2000) золотникового типа, содержащий цилиндрический запорный элемент, перекрывающий выходные отверстия. В указанной конструкции клапана не требуется приложения значительных механических усилий при отпирании и запирании клапана.
Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения полной герметичности клапана в закрытом положении, кроме того, герметичность клапана значительно снижается при уменьшении качества обработки сопрягающихся элементов клапана.
Известен клапан (см. SU 93019 А, кл. F16К 41/04, 07.12.1961), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, запорный элемент, соединенный с приводом, и уплотнительные узлы, при этом в корпусе установлен жестко связанный с седлом цилиндрический вкладыш с перепускным отверстием, а запорный элемент выполнен в виде полой втулки, установленной с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль внешней поверхности цилиндрического вкладыша.
Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу значительной силы при отпирании и запирании клапана, так как силы, приложенные к запорному элементу, сформированные давлением рабочей среды в известной конструкции, не уравновешены. Указанное обстоятельство может также приводить к тому, что в гидравлических системах, в которых используется известный клапан, могут возникать автоколебания при работе в режиме малых расходов. Такие автоколебания, проявляющиеся в виде "стука" или "гудения" клапана, приводят к возникновению в системе гидравлических ударов и в ряде случаев способны привести к разрушению системы.
Наиболее близким к заявленному является клапан (пат. РФ №2200265, кл. F16К 3/24 от 03.2003 г.).
Известный клапан позволяет снизить усилия, необходимые для перемещения запорного элемента, с одновременным повышением устойчивости работы, так как в гидравлической системе, в которой установлен клапан, отсутствуют условия для возникновения автоколебаний при отпирании и запирании клапана. В клапане совмещаются преимущества тарельчатого и золотникового клапанов, то есть обеспечивается повышенная герметичность клапана в закрытом положении одновременно с ликвидацией сил, действующих на привод запарного элемента в результате влияния давления рабочей среды. Кроме того, клапан не требует повышенной точности обработки деталей для обеспечения его нормальной работы в связи с наличием в нем уплотнительных элементов, а также в связи с тем, что герметичность клапана в закрытом положении обеспечивается за счет приработки седла клапана и нижней кромки запорного элемента.
В известном клапане при протекании через него рабочей среды высока вероятность формирования турбулентных потоков, что может способствовать отложению твердого осадка на элементах клапана, истиранию клапана механическими частицами, находящимися в потоке рабочей среды во взвешенном состоянии (гидроабразивному износу клапана), и истиранию стенок трубопровода, а также отсутствует плавная регулировка потока рабочей среды.
Задачей изобретения является создание надежной конструкции клапана, который устраняет все перечисленные недостатки известного клапана при сохранении всех его преимуществ.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что клапан содержит корпус с входным патрубком, в котором имеется входное отверстие, внутренний обтекатель с распорками и, по меньшей мере, одной шпилькой на внутренней торцевой стороне, выходной патрубок с отверстием, кольцо с внутренней конической поверхностью, вставку с седлом, цилиндрический вкладыш, зафиксированный установочным кольцом и выходным патрубком с уплотнением, запорный элемент, расположенный между корпусом и вкладышем с возможностью продольного перемещения вдоль оси корпуса и выполненный в виде ступенчатого цилиндра, в меньшей ступени которого у его торца выполнены симметричные отверстия для элементов управления, а на его большей внешней ступени выполнены, по меньшей мере, один кольцевой выступ с прорезями, при этом меньшая ступень запорного элемента расположена в первом охватывающем кольцевом уплотнительном узле корпуса, а внутри большей ступени запорного элемента расположен охватываемый кольцевой уплотнительный узел, кроме этого меньшая ступень запорного элемента контактирует с приводом, расположенным на кронштейне внешней поверхности корпуса, который обеспечивает перемещения запорного элемента вдоль оси корпуса, причем находящийся внутри запорного элемента вкладыш выполнен в виде трубы с расширенной частью на внешней поверхности, которая выполнена в виде выступа с размещенным уплотнительным узлом, а большая ступень запорного элемента внутренней цилиндрической поверхностью контактирует с закрепленной на шпильке обтекателя вставкой, на внешней цилиндрической поверхности которой расположено седло в виде усеченного конуса, а на торцевых поверхностях вставки со стороны запорного элемента расположены по окружности, по меньшей мере, два конических выступа и сферический сегмент с противоположной стороны, причем конические выступы и большая ступень запорного элемента образуют перепускное отверстие, площадь сечения которого равна площади входного отверстия, а сферический сегмент контактирует с внутренней конической поверхностью кольца, которое торцевой поверхностью опирается на обтекатель с уплотнительным узлом, а также внешний диаметр запорного элемента, контактирующего с охватываемым уплотнительным узлом корпуса, находится по отношению к внутреннему диаметру запорного элемента, контактирующему с обхватывающем уплотнительным узлом, в отношении 0,9-1,1.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен вид клапана в разрезе, где клапан в положении «откр»; на Фиг.2 представлен клапан в положении «закр»; на Фиг.3 - разрез по А-А; на Фиг.4 - разрез по Б-Б; на Фиг.5 - запорный элемент клапана в виде ступенчатого цилиндра.
Клапан содержит корпус 1 с входным патрубком 2, в котором имеется входное отверстие 3, внутренний обтекатель 4 с распорками 5 и шпилькой 6 на внутренней торцевой стороне, как минимум одной, выходной патрубок 7 с отверстием 8, кольцо 10 с внутренней конической поверхностью 11, вставку 12 с седлом 13, цилиндрический вкладыш 14, зафиксированный установочным кольцом 15 и выходным патрубком 7 с уплотнением 16, запорный элемент 17, расположенный между корпусом 1 и вкладышем 14 с возможностью продольного перемещения вдоль оси корпуса и имеющего вид ступенчатого цилиндра, в меньшей ступени 18 которого близко к его торцу выполнены симметричные отверстия 19 для элементов управления, а на его большей внешней ступени 20 выполнены кольцевые выступы 21, как минимум один, с прорезями. Меньшая ступень 18 запорного элемента расположена в первом охватывающем кольцевом уплотнительном узле 22 корпуса, а внутри большей ступени 20 запорного элемента расположен охватываемый кольцевой уплотнительный узел 23, а также меньшая ступень 18 запорного элемента контактирует с рычажным приводом 24, расположенного на кронштейне 25 внешней поверхности корпуса, который обеспечивает перемещения запорного элемента вдоль оси корпуса 1.
Привод может быть комбинированным, например привод 24 может быть задействован через ось 26 и шпиндель 27 маховиком 28. Возможно также выполнение клапана с электромагнитным, гидравлическим или пневматическим приводом.
Находящийся внутри запорного элемента 17 вкладыш 14 выполнен в виде трубы с расширенной кольцевой частью 29 на внешней поверхности, которая похожа на выступ, с размещенным уплотнительным узлом 23. Большая ступень 20 запорного элемента 17 внутренней цилиндрической поверхностью контактирует с закрепленной на шпильке обтекателя вставкой 12, на внешней цилиндрической поверхности которой расположено представляющее собой усеченный конус седло 13, а на торцевых поверхностях вставки 12 со стороны запорного элемента 17 расположены по окружности конические выступы 30, как минимум два, и сферический сегмент 31 с противоположной стороны. Причем конические выступы 30 и большая ступень 20 запорного элемента 17 формируют перепускное отверстие 32, площадь сечения которого равна площади входного отверстия 3, а сферический сегмент 31 контактирует с внутренней конической поверхностью 11 кольца 10, которое торцевой поверхностью опирается на обтекатель 4 с уплотнительным узлом 32.
При этом внешний диаметр запорного элемента 17, контактирующий с охватываемым уплотнительным узлом 22 корпуса 1, находится по отношению к внутреннему диаметру запорного элемента 17, контактирующему с уплотнительным узлом 23 кольцевого выступа 29 вкладыша 14, в отношении 0,9-1,1.
Клапан работает следующим образом.
Клапан считается открытым при максимально отодвинутом положении запорного элемента 17 в сторону от входного отверстия 3. При этом продольные силы, создаваемые давлением рабочей среды, например жидкости или газа, на наиболее удаленную от входного отверстия внешней поверхности большей ступени 20 запорного элемента 17 и торцевую ее часть, наиболее приближенную к входному отверстию клапана, уравновешивают друг друга, в связи с чем для фиксации запорного элемента 17 в указанном положении не требуется приложения силы со стороны привода. Кроме того, в указанном положении обеспечивается свободное протекание рабочей среды между входным 3 и выходным 8 отверстиями.
При закрытии клапана привод обеспечивает плавное перемещение запорного элемента 17 в сторону входного отверстия 3 клапана. При этом, как было показано выше, давление рабочей среды не создает продольной силы, препятствующей перемещению запорного элемента 17, в связи с чем мощность, развиваемая приводом, тратится только на преодоление сил трения между запорным элементом 17 и уплотнениями. При перемещении запорного элемента 17 в сторону седла 13 обеспечивается плавное перекрытие перепускного отверстия 32 до определенного положения. То есть перепускное отверстие 32 может быть частично перекрыто, и так как на запорный элемент 17 продольные силы от потока рабочей среды не действуют, то такое положение запорного элемента 17 может оставаться до следующего момента, когда понадобиться уменьшить или увеличить сечение/площадь перепускного отверстия 32.
При полном контакте торцевой кромки большей ступени 20 запорного элемента 17 с седлом 13 вставки 12 произойдет полное перекрытие перепускного отверстия 32, то есть произойдет полное надежное закрытие клапана. Надежный контакт и герметичность торцевой кромки большей ступени 20 с седлом 13 обеспечивается самоустановкой вставки 12 при помощи сферического сегмента 31 и конической поверхности 11 кольца 10 при сборке клапана.
В связи с тем что внутренняя торцевая кромка большей ступени 20 запорного элемента 17 контактирует с седлом 13 по поверхности, имеющей относительно малую площадь, в закрытом положении клапана на запорный элемент 17 практически не действует продольная сила, вызванная давлением рабочей среды. Таким образом, для удержания клапана в закрытом положении также не требуется приложения к запорному элементу 17 продольной силы. Кроме того, работа, совершаемая при открывании клапана, расходуется только на преодоление сил трения.
Важными особенностями клапана, конструкция которого позволяет уравновесить запорный элемент, являются независимость мощности, необходимой для закрытия клапана с заданной скоростью, от давления рабочей среды, надежная и плавная регулировка рабочего потока при любом положении запорного элемента, надежное закрытие перепускного отверстия за счет самоустанавливающейся вставки с седлом и малые габариты.