Регулятор дисковый
DISK REGULATOR

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть использовано в качестве запорно-регулирующего устройства для регулирования расхода потоков газообразных, жидких, загрязненных и агрессивных сред.
Регуляторы расхода работают в широком диапазоне изменения параметров, в том числе в условиях больших перепадов давления, когда необходимо обеспечить высокое дросселирование потока при малых открытиях проходного сечения и слабое дросселирование при большом открытии проходного сечения. При этом в регуляторах с нелинейной проходной характристикой при малых открытиях возникают высокоскоростные сжатые струи, выходящие из затворного узла в форме полумесяца, треугольника, глаза, что приводит к заметному эрозионному износу элементов регуляторов и в целом к снижению их срока службы.
В системах регулирования все более широкое распространение получают запорно-регулирующие прямоточные устройства, затворный узел которых, состоящий из притертых дисков, выполнен многопроходным, в виде поворотного диска с количеством и формой проходов, соответствующих количеству и форме проходов неподвижного элемента запорного узла.
Известна дисковая поворотная осесимметричная задвижка разработки ОАО НПАО «ВНИИкомпрессормаш», (Арматуростроение, 2013, №5(86), с. 48-51). Задвижка состоит из корпуса со сквозным отверстием, двух патрубков с фланцами и запорного органа в виде диска. В каждом патрубке входное отверстие разделяется на два канала, суммарная площадь которых равна площади входного отверстия. Запорный орган в виде диска снабжен аналогичными с каналами в патрубках отверстиями круглой формы, расположен между патрубками с возможностью вращения вокруг своей оси. В открытом положении отверстия в запорном диске совпадают с отверстиями в патрубках. Запорный диск при вращении занимает промежуточные положения, образующие проходы в форме «глаза». После поворота на 90° запорный диск занимает положение, при котором проход для рабочей среды полностью перекрывается. При малых открытиях в таком устройстве возникают высокоскоростные струи, особенностью которых являются разноскоростные потоки внутри струи, по краям прохода и в его центре, что в итоге приводит не только к разрушению элементов задвижки, но и к высокой турбулентности потока и связанных с ней шумом и вибрациями. Кроме того, для регуляторов, работающих в условиях высоких перепадов давления, рекомендуется производить регулировку расхода с линейной характеристикой, когда расход пропорционален величине перемещения плунжера или в рассматриваемом устройстве углу поворота подвижного диска относительно неподвижных патрубков. В рассматриваемом устройстве проходная характеристика нелинейная, форма открытой площади проходного отверстия при повороте из открытого положения в закрытое постоянно меняет свою форму и расходную характеристику.
Известен дроссель регулируемый прямоточный многопроходный по патенту РФ 2280800 МПК F16K 3/08. Дроссель содержит корпус, входную и выходную крышки с входными и выходными отверстиями, запорно-регулирующий узел, приводной узел, крепежные и уплотняющие элементы. Запорно-регулирующий узел выполнен в виде двух соосно установленных в корпусе взаимно притертых дисков. Диски установлены с возможностью вращения одного диска, подвижного, связанного с приводным узлом, относительно другого, неподвижного. В дисках выполнены проходные отверстия в виде равных по площади и форме секторов окружности треугольной формы и площадки перекрытия проходных отверстий. При вращении подвижного диска относительно неподвижного изменяются площади проходных отверстий в неподвижном диске. При этом подвижный диск устанавливается относительно проходных отверстий неподвижного диска в следующие положения. Положение «открыто», при котором проходные отверстия полностью или частично открыты. Положение «закрыто», - это крайнее положение, при котором площадь открытия проходных отверстий становится равной «нулю». Положение «перекрыто», при котором проходообразующие грани проходных отверстий подвижного диска, продолжая движение поворота, переходят через положение «закрыто», обеспечивая гарантированную непроходимость потока через запорный узел. При этом в процессе движения подвижного диска положение «частично открыто» характеризуется нелинейной характеристикой перекрываемой площади проходных отверстий и соответственно расхода, результатом которой является то, что при малых открытиях проходные отверстия приобретают форму треугольных щелей, а вырывающийся из них потоки приобретают форму кинжальных струй, являющихся причиной эрозионного износа и снижения срока службы дросселя. Необходимо также отметить, что кинжальные струи не только разрушают встречающиеся на их пути препятствия в виде элементов конструкции дросселя, но, ударяясь о препятствия, создают обратный поток, который, увеличивает турбулентность исходящего потока, от уровня турбулентности которого зависят уровень шума и вибраций от выходящего потока.
Длительный уровень эксплуатации и анализ, приходящих в ремонт дросселей и запросов потребителей, показал, что основные дефекты эксплуатации проявляются в виде щелевидных размывов выходных отверстий неподвижного диска и выходной крышки и эрозионного износа других элементов проточной части, а основной проблемой в регулировке расхода является нелинейная характеристика расхода.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение выходных характеристик потока текучей среды в том числе в условиях высокого перепада давлений на входе и выходе регулятора и создание линейной характеристики расхода во всей возможной области регулирования расхода между положениями «открыто» и «закрыто».
Решение поставленной задачи достигается сочетанием известных признаков, заключающихся в том, что регулятор дисковый содержит корпус, входную и выходную крышки с входным и выходным отверстиями, запорно-регулирующий узел, приводной узел, крепежные и уплотняющие элементы, при этом запорно-регулирующий узел включает два соосно установленных взаимно притертых диска, каждый из которых снабжен проходными отверстиями и площадками перекрытия проходных отверстий, причем один из дисков установлен в регуляторе неподвижно, а другой диск, подвижный, соединенный с приводным узлом, установлен с возможностью вращения относительно неподвижного диска и установки проходных отверстий подвижного диска в положения «открыто», «закрыто», «перекрыто» и промежуточные положения относительно проходных отверстий неподвижного диска, и новых признаков, заключающихся в том, что проходные отверстия подвижного и неподвижного дисков выполнены трапециеподобной формы, большие и меньшие основания которых выполнены в виде отрезков дуг концентричных окружностей, а боковые стороны, соединяющие их под углом друг к другу, выполнены как ребра проходных отверстий, при этом соотношение длин дуг оснований и углов между ребрами выбирают таким образом, что в положении «закрыто» проходообразующие ребра проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков соединяются по всей длине этих ребер. Другие новые признаки связаны с выполнением этого условия. При выполнении угла между ребрами проходных отверстий неподвижного диска меньшим угла между ребрами проходных отверстий подвижного диска длины дуг больших оснований проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков выполняют равными. При выполнении угла между ребрами проходных отверстий неподвижного диска большим угла между ребрами проходных отверстий подвижного диска, длины дуг меньших оснований проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков выполнены равными. Другой признак заключается в том, что угол между ребрами проходных отверстий неподвижного диска выполнен меньшим угла между ребрами проходных отверстий подвижного диска, при этом длины дуг больших оснований проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков выполнены равными, а проходообразующие ребра проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков образованы отрезками сторон центральных угловых секторов окружностей, ограниченных большими основаниями проходных отверстий дисков. Кроме того, новым признаком является то, что проходные отверстия подвижного и неподвижного дисков выполнены равнопроходными, при этом длина дуги большего основания выполнена меньшей длины дуги площадки перекрытия, лежащей на той же окружности, а ребра проходных отверстий выполнены как отрезки прямой, перекатывающейся без скольжения по окружности выбранного диаметра, меньшего диаметра окружности, образующей меньшую сторону трапециеподобного проходного отверстия. Предложенное техническое решение позволяет во всех вариантах исполнения при вращении подвижного диска относительно неподвижного диска, сохраняя трапециеподобную форму проходов, получать равномерно изменяющуюся площадь открытия или закрытия проходных отверстий и соответствующую линейной проходную характеристику регулятора. Кроме того, при малых открытиях поток равномерно распределяется вдоль всей длины проходообразующих ребер, что позволяет исключить появление кинжальных струй, размывов и эрозии элементов регулятора, стабилизировать поток и снизить сопутствующие глубокому дросселированию потока явления шума, вибрации, скачков давления, скорости и расхода.
Предложенное техническое решение иллюстрируется на примере двухпроходного регулятора графическими материалами, поясняющими сущность его, и вариантами выполнения, где изображено:
- на фиг. 1 - общий вид двухпроходного дискового регулятора;
- на фиг. 2-5 - примеры выполнения дисков по варианту исполнения проходных отверстий неподвижного диска с меньшим углом между ребрами, чем у подвижного диска, в том числе:
- на фиг. 2 - схема конструирования проходных отверстий подвижного диска;
- на фиг. 3 - схема конструирования проходных отверстий неподвижного диска;
- на фиг. 4 - диски в положении «закрыто»;
- на фиг. 5 - диски в положении «полностью перекрыто»;
- на фиг. 6-9 - примеры выполнения дисков по варианту исполнения проходных отверстий неподвижного диска с большим углом между ребрами, чем у подвижного диска, в том числе:
- на фиг. 6 - схема конструирования проходных отверстий подвижного диска;
- на фиг. 7 - схема конструирования проходных отверстий неподвижного диска;
- на фиг. 8 - диски в положении «закрыто»;
- на фиг. 9 - диски в положении «полностью перекрыто»;
- на фиг. 10-13 - примеры выполнения дисков по варианту исполнения ребер проходных отверстий дисков в виде отрезков сторон центральных угловых секторов окружностей больших оснований, в том числе:
- на фиг. 10 - схема конструирования проходных отверстий подвижного диска;
- на фиг. 11 - схема конструирования проходных отверстий неподвижного диска;
- на фиг. 12 - диски в положении «закрыто»;
- на фиг. 13 - диски в положении «полностью перекрыто»;
- на фиг. 14-17 - примеры выполнения дисков с равнопроходными проходными отверстиями подвижного и неподвижного дисков (вариант 1), в том числе:
- на фиг. 14 - схема конструирования проходных отверстий подвижного диска;
- на фиг. 15 - схема конструирования проходных отверстий неподвижного диска;
- на фиг. 16 - диски в положении «закрыто»;
- на фиг. 17 - диски в положении «полностью перекрыто»;
- на фиг. 18-21 - примеры выполнения дисков с равнопроходными проходными отверстиями подвижного и неподвижного дисков (вариант 2), в том числе:
- на фиг. 18 - схема конструирования проходных отверстий подвижного диска;
- на фиг. 19 - схема конструирования проходных отверстий неподвижного диска;
- на фиг. 20 - диски в положении «закрыто»;
- на фиг. 21 - диски в положении «полностью перекрыто»;
- на фиг. 22-27 - сравнительный анализ предложенной формы выполнения проходных отверстий подвижных и неподвижных дисков и известных форм прототипа и аналога при малых открытиях, в том числе:
- на фиг. 22 - подвижный и неподвижный диски с проходными отверстиями равной трапециевидной формы в положении «полностью открыто»;
- на фиг. 23 - диски на фиг. 22 в положении «частично открыто»;
- на фиг. 24 - подвижный и неподвижный диски с проходными отверстиями равной треугольной формы в положении «полностью открыто» (прототип);
- на фиг. 25 - диски на фиг. 24 в положении «частично открыто»;
- на фиг. 26 - подвижный и неподвижный диски с проходными отверстиями равной цилиндрической формы в положении «полностью открыто» (аналог);
- на фиг. 27 - диски на фиг. 26 в положении «частично открыто».
Регулятор состоит из корпуса 1, входной и выходной торцевых крышек 2 и 3 с входным и выходным отверстиями 4 и 5, запорно-регулирующего узла, включающего неподвижный диск 6 и подвижный диск 7, приводного узла, включающего червячное колесо 8, жестко соединенного с подвижным диском 7, и червяка 9, соединенного с ручным или механическим приводом (не показан), а также подпружиненного диска 10, системы противодавления 11, крепежных элементов 12, соединяющих корпус с торцевыми крышками, и уплотнительных элементов 13. Подвижный и неподвижный диски снабжены притертыми торцами 14 и 15 соответственно и проходными отверстиями соответственно 16 и 17, выполненными трапециеподобной формы (фиг. 2), большее и меньшее основания 18 и 19, которых соответственно выполнены как отрезки дуг концентричных окружностей 20 и 21, а боковые стороны, соединяющие их под углом друг к другу выполнены как ребра 22 и 23 проходных отверстий дисков. При этом общая площадь проходных отверстий каждого диска выбирается не менее площади входного отверстия 4, а трапециеподобная форма проходных отверстий выбирается из условия, что проходообразующие ребра проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков совпадают по всей длине этих ребер в положении «закрыто». Схемы построения вариантов пар проходных отверстий трапециеподобной формы для подвижного и неподвижного дисков регулятора, отвечающие этому условию, показаны на примере дисков для двухпроходных регуляторов на фиг. 2 и 3, 6 и 7, 10 и 11, 14 и 15, 18 и 19, и обозначены штриховыми линиями.
1
1
1
В варианте исполнения проходных отверстий дисков (фиг. 2-5), при котором угол «α» между ребрами 22 и 23 проходных отверстий подвижного диска 7 выполнен большим угла «α» между ребрами 24 и 25 проходных отверстий неподвижного диска 6, неизменными остаются при этом длины дуг «а» больших оснований 18, а длины дуг «в» меньших оснований 19 неподвижного диска выполнены больше длин дуг «в» меньших оснований подвижного диска. При повороте подвижного диска в направлении закрытия проходных отверстий неподвижного диска проходообразующие ребра 22 подвижного диска и 25 неподвижного диска занимают в соответствии с управляющей командой положение «частично открыто», при котором проходы между ними сохраняют в любом положении трапециеподобную форму, или при повороте на угол «β» (фиг. 4) занимают положение «закрыто», при котором проходообразующие ребра 22 и 25 совпадают по всей длине, и, завершая поворот, устанавливаются в положение «перекрыто» (фиг. 5) в ожидании команды на открытие проходов. При этом угол «β» соответствует половине угла между осями проходных отверстий: для двухпроходных дисков - это 90°, для трехпроходных - 60°, для четырехпроходных - 45°.
1
1
В варианте исполнения проходных отверстий дисков (фиг. 6-9), при котором угол «α» между ребрами 26 и 27 проходных отверстий 28 подвижного диска 29 выполнен меньшим угла «α» между ребрами 30 и 31 проходных отверстий 32 неподвижного диска 33, неизменными остаются длины дуг «в» меньших оснований проходных отверстий дисков, а длины дуг «а» больших оснований проходных отверстий подвижного диска выполнены меньше длин дуг «а» больших оснований проходных отверстий неподвижного диска.
1
При повороте подвижного диска в направлении закрытия проходных отверстий неподвижного диска, проходообразующие ребра 27 подвижного диска и 31 неподвижного диска занимают в соответствии с управляющей командой положение «частично открыто», при котором проходы между ними сохраняют в любом положении трапециеподобную форму, или при повороте на угол «β» (фиг. 8) занимают положение «закрыто», при котором проходообразующие ребра 27 и 31 совпадают по всей длине ребер, и, завершая поворот при угле «β» (фиг. 9), как и в предыдущем примере равным 90°, устанавливаются в положение «перекрыто».
1
1
В варианте исполнения проходных отверстий дисков (фиг. 10-13), при котором угол «α» между ребрами 34 и 35 проходных отверстий 36 подвижного диска 37 выполнен большим угла «α» между ребрами 38 и 39 проходных отверстий 40 неподвижного диска 41, длины дуг «а» больших оснований проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков выполнены равными, а проходообразующие ребра 34 подвижного диска и 39 неподвижного диска образованы отрезками сторон 42 и 43 центральных угловых секторов окружностей больших оснований. При таком выполнении при повороте подвижного диска в направлении закрытия проходных отверстий неподвижного диска проходообразующие ребра 34 подвижного диска и 39 неподвижного диска занимают в соответствии с управляющей командой положение «частично открыто», при котором проходы между ними в любом положении сохраняют трапециеподобную форму, или при повороте на угол «β» (фиг. 12) занимают положение «закрыто», при котором проходообразующие ребра 34 и 39 совпадают по всей длине ребер, и, завершая поворот при угле «β» (фиг. 13), устанавливаются в положение «перекрыто».
Примеры выполнения дисков с равнопроходными проходными отверстиями подвижного и неподвижного дисков представлены в двух из множества возможных вариантов выполнения проходных отверстий с различной площадью прохода.
1
В варианте исполнения на фиг. 14-17 проходные отверстия 44 подвижного диска 45 выполнены равнопроходными с проходными отверстиями 46 неподвижного диска 47. При этом длина дуги 48 большего основания «а» выполнена меньшей длины дуги 49 площадки перекрытия 50, лежащей на той же окружности 51 между ребрами 52 проходного отверстия 44 и 53 проходного отверстия 54 этого диска. При этом каждое ребро выполнено как отрезок прямой 55, перекатывающейся по окружности 56 выбранного диаметра «d». При повороте подвижного диска в направлении закрытия проходных отверстий неподвижного диска проходообразующие ребра 57 подвижного диска и 58 неподвижного диска занимают в соответствии с управляющей командой положение «частично открыто», при котором проходы между ними в любом положении сохраняют трапециеподобную форму, или при повороте на угол «β» (фиг. 16) занимают положение «закрыто», при котором проходообразующие ребра 57 и 58 совпадают по всей длине ребер, и, завершая поворот при угле «β» (фиг. 17), устанавливаются в положение «перекрыто».
1
В варианте исполнения на фиг. 18-21 проходные отверстия 59 подвижного диска 60 выполнены равнопроходными с проходными отверстиями 61 неподвижного диска 62. При этом на фиг. 18 и 19 представлены схемы построения проходных отверстий максимальной площади при заданных параметрах концентричных окружностей 63 и 64 и окружности обкатки 65 диаметром «d» при соблюдении условия выполнения длины дуги 66 большего основания проходного отверстия меньшей, чем длина дуги 67, лежащей на той же окружности 63 между ребрами 68 проходного отверстия 59 и 69 проходного отверстия 70, а самих ребер, как отрезков прямой 71, перекатывающейся по окружности 65 диаметром «d». При повороте подвижного диска в направлении закрытия проходных отверстий неподвижного диска проходообразующие ребра 72 подвижного диска и 73 неподвижного диска занимают в соответствии с управляющей командой положение «частично открыто», при котором проходы между ними в любом положении сохраняют трапециеподобную форму, или при повороте на угол «β» (фиг. 20) занимают положение «закрыто», при котором проходообразующие ребра 72 и 73 совпадают по всей длине ребер, и, завершая поворот при угле «β» (фиг. 21) устанавливаются в положение «перекрыто».
Приведенные на фиг. 22-27 примеры показывают формы проходов при их полных и малых открытиях в предложенных и известных формах выполнения проходных отверстий в регуляторах дискового типа.
При выполнении проходов 74 и 75 трапециеподобной и равнопроходной формы у подвижного 76 и неподвижного 77 дисков при движении подвижного диска из положения «открыто» (фиг. 22) проход 78 сохраняет трапециеподобную форму и линейную характеристику расхода и распределение потока по всей длине ребер, как при полном, так и малом открытии (фиг. 23) вплоть до закрытия проходов.
При выполнении проходов 79 и 80, как у прототипа, треугольной равнопроходной формы у подвижного 81 и неподвижного 82 дисков при движении подвижного диска из положения «открыто» (фиг. 24) проход 83 изменяется нелинейно как по ширине проходообразующих ребер, так и соответственно по площади прохода и при малых открытиях поток приобретает кинжальную форму (фиг. 25).
При выполнении проходов 84 и 85, как у аналога, цилиндрической равнопроходной формы у подвижного 86 и неподвижного 87 дисков при движении подвижного диска из положения «открыто» (фиг. 26) проход 88 нелинейно изменяет форму на элипсовидную, сужающуюся по мере движения, вплоть до формы, которую принято называть формой «глаза» (фиг. 27).
Предложенные варианты выполнения проходных отверстий трапециеподобной формы и сочетания проходных отверстий подвижного и неподвижного дисков позволяют отметить следующие преимущества перед аналогами, где проходные отверстия подвижных и неподвижных дисков имеют одинаковую форму и выполнены в виде треугольных секторов или цилиндрических отверстий. Трапециеподобная форма позволяет в любом положении частичного открытия проходов, в том числе при малых проходах и больших перепадах давления сохранять линейную проходную характеристику расхода и избавиться от высокоскоростных кинжальных струй потока, или струй потока в форме «глаза», переведя их в распределенные по длине ребер потоки, близкие к потокам прямоугольной формы, которые обеспечивают меньшую склонность дросселируемых потоков к турбулентности и сопутствующим ей явлениям шума, вибраций, эрозионного износа. Выбор оптимальной формы из представленных вариантов и количества проходных отверстий на дисках зависит от поставленных задач: максимальной площади проходных отверстий при заданной площади контактных поверхностей подвижного и неподвижного дисков, скорости закрытия регулятора, заданных характеристик точности регулировки.