КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ ШИБЕРНЫЙ (ВАРИАНТЫ)
ADJUSTING SLIDE VALVE (VERSIONS)

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, преимущественно регулирующей, и предназначено для использования на ТЭС, ГРЭС, ТЭЦ, АЭС в системах регулирования уровня пара, конденсата.
Известен клапан регулирующий шиберный, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещено седло с несколькими отверстиями с плоской уплотнительной поверхностью, а также шибер с плоской поверхностью, связанный с направляющими корпуса и со штоком (см. Благов Э.Я., Ивницкий Б.Я. Дроссельно-регулирующая арматура в энергетике. - М.: Энергетика, 1974, рис.5.4, с.177).
Недостатком конструкции является то, что при больших размерах шибера и седла возникают значительные силы трения между седлом и шибером из-за большой площади поверхности трения и значительных сил прижима диска к седлу потоком среды, отсутствием разгрузки пары трения при высоких рабочих давлениях, особенно в момент открытия, закрытия клапана, что приводит к повреждению (задирам) и износу уплотнительных поверхностей, снижает функциональные возможности клапана, его долговечность, низкая герметичность.
Техническим результатом является расширение функциональных способностей за счет снижения сил трения и усилия по перемещению шибера, износа уплотнительных поверхностей шибера и седла клапана и повышения его долговечности, уменьшения мощности привода, для варианта 3 - обеспечение высокой степени герметичности клапана в положении "закрыто".
Вариант 1. Технический результат достигается тем, что в клапане регулирующем шиберном, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещено седло с одним профильным или несколькими отверстиями и плоской уплотнительной поверхностью, а также шибер с плоской уплотнительной поверхностью, установленный с возможностью перемещения штоком относительно седла по направляющим поверхностям корпуса, введены оси, каждая из которых выполнена с двумя эксцентрическими цилиндрическими поверхностями, одна из которых установлена в боковую поверхность шибера перпендикулярно геометрическим осям корпуса, штока с возможностью установочного поворота и фиксации вокруг собственной геометрической оси, а на вторую цилиндрическую поверхность оси установлен ролик с возможностью вращения вокруг собственной геометрической оси, выполненный, например, в виде подшипника, связанный с направляющей поверхностью корпуса, причем на каждую боковую поверхность установлено минимум по две оси с роликами, а уплотнительные поверхности седла и шибера установлены с равномерным зазором относительно друг друга в осевом направлении седла, кроме того:
- направляющие поверхности корпуса, связанные с роликами, выполнены с уклоном по отношению к оси штока в направлении седла, а оси с роликами установлены с возможностью плоскопараллельного перемещения шибера так, что при закрытом положении клапана равномерный зазор между уплотнительными поверхностями шибера и седла минимален, а при открытом - максимален;
- равномерный зазор между уплотнительными поверхностями седла и шибера в закрытом положении выбирают из условия - протечка среды меньше допустимой;
- равномерный зазор между уплотнительными поверхностями седла и шибером в закрытом положении выбирают из условия - скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды;
- равномерный зазор между уплотнительными поверхностями седла и шибера в закрытом положении выбирают из условия - скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей седла и шибера для данной среды по стойкости к эрозионному износу.
Вариант 2. Техническим результат достигается тем, что в клапане регулирующем шиберном, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещено седло с профильным отверстием и плоской уплотнительной поверхностью, а также шибер с плоской уплотнительной поверхностью, установленный с возможностью перемещения штоком относительно седла по направляющим поверхностям корпуса, при этом введены ролики, установленные в боковых профильных пазах шибера с замкнутой траекторией, паза, например, 0 (ноль)-образной формы, с возможностью перемещения в этих пазах по замкнутой траектории и связанные с направляющими корпуса, а уплотнительные поверхности седла и шибера установлены с зазором относительно друг друга в осевом направлении седла, кроме того:
- направляющие поверхности корпуса, связанные с роликами, выполнены с уклоном по отношению к оси штока в направлении седла, а ролики установлены в наклонные боковые профильные пазы шибера, обеспечивающие возможность плоскопараллельного перемещения шибера с изменением зазора между уплотнительными поверхностями седла и шибера по определенному закону так, что при закрытом положении клапана равномерный зазор между уплотнительными поверхностями шибера и седла минимальный, а при открытом - максимальный,
- зазор между уплотнительными поверхностями седла и шибера в закрытом положении выбирают из условия:
- протечка среды меньше допустимой,
- скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды,
- скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей седла и шибера для данной среды по стойкости к эрозионному износу.
Вариант 3. Технический результат достигается тем, что в клапане регулирующем шиберном, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещено седло с профильным отверстием и плоской уплотнительной поверхностью, а также шибер с возможностью перемещения штоком относительно седла по направляющим поверхностям корпуса, на шибере выполнена ступенчатая проточка, на которой через упругий элемент, установленный на ступени большего диаметра, и упорные кольца, между которыми расположено уплотнение, установленные на ступени меньшего диаметра, расположен с возможностью установочного перемещения относительно плоской уплотнительной поверхности седла запорный элемент шибера с плоской уплотнительной поверхностью в виде диска с внутренней ступенчатой расточкой, выполненной с радиальным зазором относительно упорных колец, ступени большего диаметра ступенчатой проточки шибера и связанной с упругим элементом и уплотнением, которые выполнены с упругими свойствами, например из резины, полиуретана, терморасширенного графита, кроме того, в нижней части запорного элемента шибера выполнено отверстие, которое связывает выходной патрубок с полостью, образованной шибером и запорным элементом шибера, кроме того, упругий элемент выполнен в виде пружинной шайбы или из спирального проволочного изделия - металлорезины "МР".
Вариант 1. На фиг.1 показан фронтальный разрез, на фиг.2 - профильный разрез клапана регулирующего шиберного, на фиг.3 - вид на ролики и прямые направляющие корпуса, на фиг.4 - вид на ролики и направляющие с уклоном корпуса, на фиг.5 - увеличенный выносной элемент А фиг.2.
Вариант 2. На фиг.6 показан фронтальный разрез, на фиг.7 - профильный разрез клапана регулирующего шиберного, на фиг.8 - разрез по роликам и прямые направляющие корпуса, на фиг.9 - разрез по роликам и наклонные направляющие корпуса.
Вариант 3. На фиг.10 показан фронтальный разрез клапана регулирующего шиберного, на фиг.11 - увеличенный выносной элемент Б фиг.10 (положение закрыто), на фиг.12 - увеличенный выносной элемент Б фиг.10 (положение приоткрыто или частично открыто).
Вариант 1
Клапан регулирующий шиберный содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которого размещено седло 4 с профильным 5 отверстием и плоской уплотнительной поверхностью 6. Шибер 7 с плоской уплотнительной поверхностью 8 установлен с возможностью перемещения штоком 9 относительно седла 4 по направляющим поверхностям 10 корпуса 1, которые могут быть выполнены в стенке корпуса 1 или на плоской отдельной планке, которая устанавливается и прикрепляется в корпусе 1. Каждая из осей 11 выполнена с двумя эксцентрическими цилиндрическими поверхностями 12, 13 с геометрическими осями 14, 15 (эксцентриситет 'е'). Цилиндрическая поверхность 12 установлена в боковую поверхность 16 шибера 7 перпендикулярно геометрической оси 17 корпуса 1 и геометрической оси 18 штока 9 с возможностью установочного поворота и фиксации, например, стопорным винтом вокруг геометрической оси 14. На цилиндрическую поверхность 13 оси 11 установлен ролик 19, выполненный, например, в виде подшипника с возможностью свободного вращения вокруг геометрической оси 15. Ролик 19 связан с направляющей поверхностью 10 корпуса 1, причем на каждую боковую поверхность 16 шибера 7 справа и слева установлено минимум по две оси 11 с роликами 19. Уплотнительные поверхности 6, 8 седла 4 и шибера 7 установлены с равномерным зазором 'а' относительно друг друга в направлении оси 17 седла 4. Направляющие поверхности 10 корпуса 1, связанные с роликами 19, могут быть выполнены и с уклоном, угол наклона 'б', по отношению к оси 18 штока 9 в направлении седла 4, а оси 11 с роликами 19 установлены с возможностью плоскопараллельного перемещения шибера 7 так что, при закрытом положении клапана зазор 'а' между уплотнительными поверхностями шибера 7 и седла 4 минимален (стремится к 0), а при открытом положении - максимален. Это достигается особой установкой осей 11 в шибере 7, так что уплотнительная поверхность 8 шибера 7 всегда параллельна уплотнительной поверхности 6 седла 4 при перемещении шибера 7, нижние ролики 19 немного выдвинуты по вертикали по отношению к верхним роликам 19 в направлении седла 4.
Зазор 'а' между уплотнительными поверхностями 6, 8 седла 4 и шибера 7 в закрытом положении выбирают из условия: протечка среды меньше допустимой, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей седла и шибера для данной среды по стойкости к эрозионному износу.
Работа клапана регулирующего шиберного
Рабочая среда подается в отверстие входного патрубка 2 корпуса 1. Шток 9 перемещает шибер 7 вверх-вниз, при этом изменяется площадь проходного сечения для рабочей среды, что приводит к изменению расхода рабочей среды через клапан на выходном отверстии патрубка 3 корпуса 1.
Установка шибера 7 и седла 4 без зазора 'а' оправдана при малых Ду и малых перепадах давления на шибере 7, в противном случае возрастают силы трения, что приводит к увеличению мощности привода и износу уплотнительных поверхностей трения. Установка с зазором друг относительно друга в осевом направлении шибера 7 и седла 4 достигается поворотом осей 11 вокруг геометрических осей 14 и последующей их фиксацией в данном положении стопорным элементом, например винтом, штифтом, клином и др., зазор 'а' проверяют щупом, что позволяет значительно снизить силы трения за счет замены трения скольжения уплотнительных поверхностей 6, 8 седла 4 шибера 7, на трение качения роликов 19 (коэффициентом трения качения для подшипника 0,003…0,001, коэффициент трения скольжения металлов 0,3…0,5), это позволяет уменьшить мощность и габариты привода. Использование антифрикционных материалов при создании шибера 7 и седла 4 и их поверхностей трения часто невозможно по причине того, что антифрикционные материалы не обладают достаточной эрозионной, термической стойкостью в потоке среды. Клапан регулирующий может не обладать запорной функцией и для него обычно регламентируется допустимый уровень протечки, который существенно не влияет на его работоспособность.
Вариант 2
Клапан регулирующий шиберный содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которого размещено седло 4 с профильным 5 отверстием и плоской уплотнительной поверхностью 6. Шибер 7 с плоской уплотнительной поверхностью 8 установлен с возможностью перемещения штоком 9 относительно седла 4 по направляющим поверхностям 10 корпуса 1, которые могут быть выполнены в стенке корпуса 1 или на плоской отдельной планке, которая устанавливается и прикрепляется в корпусе 1.
Ролики 21 установлены в боковых профильных пазах 22 с замкнутой траекторией паза, например, 0 (ноль)-образной формы, шибера 7 с возможностью перемещения в этих пазах по замкнутой траектории. Ролики 21 связаны с направляющими 10 корпуса 1. Уплотнительные поверхности 6, 8 седла 4 и шибера 7 установлены с зазором относительно друг друга в осевом направлении седла.
Направляющие поверхности 10 корпуса 1, связанные с роликами 21, могут быть выполнены с уклоном по отношению к оси штока 9 в направлении седла 4, а ролики 21 установлены в наклонные боковые профильные пазы 22 шибера 7 (фиг.8), обеспечивающие возможность плоскопараллельного перемещения шибера 7 с изменением зазора между уплотнительными поверхностями 6, 8 седла 4 и шибера 7 по определенному закону так, что при закрытом положении клапана равномерный зазор между уплотнительными поверхностями 6, 8 шибера 7 и седла 4 минимальный, а при открытом - максимальный.
Равномерный зазор 'а' между уплотнительными поверхностями 6, 8 седла 4 и шибера 7 в закрытом положении выбирают из условия: протечка среды меньше допустимой, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для данной среды, скорость потока среды в зазоре меньше допустимой для материалов поверхностей седла и шибера для данной среды по стойкости к эрозионному износу.
Работа клапана регулирующего шиберного
Рабочая среда подается в отверстие входного патрубка 2 корпуса 1. Шток 9 перемещает шибер 7 вверх-вниз, при этом изменяется площадь проходного сечения для рабочей среды, что приводит к изменению расхода рабочей среды через клапан на выходном отверстии патрубка 3 корпуса 1.
Установка с зазором относительно друг друга в осевом направлении шибера 7 и седла 4 достигается точностью выполнения направляющих поверхностей 10 корпуса 1.
Расположение уплотнительных поверхностей 6, 8 с зазором позволяет значительно снизить силы трения за счет замены трения скольжения уплотнительных поверхностей 6, 8 седла 4 шибера 7 на трение качения роликов 21 (коэффициентом трения качения для подшипника 0,003…0,001, коэффициент трения скольжения металлов 0,3…0,5), это позволяет уменьшить мощность и габариты привода. Использование такой конструкции шибера с опорой на направляющие через множество роликов позволяет значительно повысить несущую способность шибера, ролики работают на сжатие, а оси 11 в варианте работают на изгиб и растяжение и выдерживают меньшие нагрузки. Такой клапан может быть использован при больших Ду и перепадах давления на шибере 7 в условии огромных нагрузок на ролики 21.
Иногда требуется выполнить шиберный клапан с запорной функцией по высокому классу герметичности затвора (запорный орган - седло). Шиберные клапаны это обеспечить не могут.
Вариант 3
Клапан регулирующий шиберный содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которого размещено седло 4 с профильным 5 отверстием и плоской уплотнительной поверхностью 6. Шибер 7 установлен с возможностью перемещения штоком 9 относительно седла 4 по направляющим поверхностям 10 корпуса 1, которые могут быть выполнены в стенке корпуса 1 или на плоской отдельной планке, которая устанавливается и прикрепляется в корпусе 1.
На шибере 7 выполнена ступенчатая проточка со ступенями 31, 32, на которой через упругий элемент 33, установленный на ступени 31 большего диаметра и упорные кольца 34, 35, между которыми расположено уплотнение 36, установленные на ступени 32 меньшего диаметра ступенчатой проточки. Запорный элемент 37 шибера 7 расположен с возможностью установочного перемещения относительно плоской уплотнительной поверхности 6 седла 4. Запорный элемент 37 выполнен с плоской уплотнительной поверхностью 38 в виде диска с внутренней ступенчатой расточкой 39, выполненной так, что имеется радиальный зазор относительно упорных колец 34, 35 и шибера 4 (ступени 31 ступенчатой проточки). Ступенчатая расточка 39 связана с упругим элементом 33 и уплотнением 36, которое выполнено с упругими свойствами, например, из резины, полиуретана, терморасширенного графита. Упругий элемент 33 выполнен в виде пружинной шайбы или из спирального проволочного изделия - металлорезины "МР", или из полиуретана для низких температур эксплуатации. В нижней части запорного элемента 37 шибера 7 выполнено отверстие 40, которое связывает выходной патрубок 3 с полостью, образованной шибером 7 и запорным элементом 37 шибера 7.
Работа клапана регулирующего шиберного
Рабочая среда подается в отверстие входного патрубка 2 корпуса 1. Шток 9 перемещает шибер 7 вверх-вниз, при этом изменяется площадь проходного сечения для рабочей среды, что приводит к изменению расхода рабочей среды через клапан на выходном отверстии патрубка 3 корпуса 1. Упругий элемент 33 постоянно отжимает запорный элемент 37 через бурт ступенчатой расточки 39, при этом между уплотнительной поверхностью 38 запорного элемента 37 и уплотнительной поверхностью 6 шибера 4 поддерживается зазор а=0.1…1 мм.
В закрытом положении клапана, когда шибер 4 опущен вниз, запорный элемент 37 гидростатически уравновешен выходным давлением за шибером 37 с помощью отверстия 40 в нем. Размеры уплотнения Дв, Дн выполнены так, что гидростатическая площадь воздействия перепада давления по их среднему диаметру меньше площади профильного отверстия 5. Большая часть гидростатического усилия от воздействия перепада давления замыкается через шибер 4 (ролики, если они есть) на направляющие 10 корпуса 1. Меньшая часть гидростатического усилия от воздействия перепада давления действует на запорный элемент 37, при этом сжимается упругий элемент 33 и запорный элемент 37 перемещается в осевом направлении и прижимается своей уплотнительной поверхностью 38 к уплотнительной поверхности 6 седла 4. Для обеспечения герметичности сопряжения вышеуказанных уплотнительных поверхностей 6 и 38 необходима их абсолютная параллельность и прилегание, что на практике трудно обеспечить технологически (точное совпадение оси ступенчатой проточки шибера 4 с перпендикуляром к уплотнительной поверхности 6 седла 4, точная перпендикулярность уплотнительной поверхности 38 к оси ступенчатой расточки шибера 4 и др.). Наличие радиального зазора (зазоров) относительно упорных колец 34, 35, ступени 31 ступенчатой проточки шибера 4 и условия выполнения уплотнения 36 с упругими свойствами позволяет, при необходимости, сделать пространственный микроразворот (на угловые секунды, минуты) запорного элемента 37 и обеспечить плотное прилегание сопрягаемых уплотнительных поверхностей 38 запорного элемента 37 и 6 седла 4. Если уплотнительные поверхности 6, 38 выполнить с оптической плоскостностью до 1 мкм, можно получить герметичность соединения по классу А даже в условии повышенных перепадов давлений рабочей среды. При этом трение запорного элемента о седло минимально только в момент начала открытия и в конце закрытия шибера клапана. Это способствует значительному снижению износа уплотнительных поверхностей запорного элемента и седла клапана и повышению долговечности клапана.
Клапан регулирующий шиберный имеет расширенные функциональные возможности, т.к. при больших перепадах рабочего давления и больших размерах шибера и седла обеспечивает малую мощность привода, минимальные усилия по его перемещению, силы трения и износ поверхностей трения, что повышает надежность и долговечность его работы, а для варианта 3 обеспечивает высокую степень герметичности затвора в закрытом положении, низкие силы трения при закрытии и закрытии шибера, малый износ уплотняющих поверхностей.
Клапан может быть использован в энергетическом, химическом, нефтяном, газовом машиностроении.