КЛАПАН
VALVE

Изобретение относится к области запорно-регулирующих устройств в потоках жидкостей.
Известен запорный шариковый клапан (RU 383936, опубл. в 1973 г. в бюллетене изобретений №24). В этом клапане запорный шарик нагружен пружиной и удерживается в этом положении. При гидродинамическом воздействии потока жидкости на шарик пружина сжимается и клапан пропускает жидкость. Недостаток клапана в том, что для открытия клапана требуется дополнительная энергия значительной величины.
Более близким по принципу действия и достигаемому эффекту является запорный шариковый клапан (RU 70544, опубл. 27.01.2008 г.). Этот клапан применяется при подъеме из скважины жидкости погружными насосами. Клапан предотвращает обратное движение жидкости из подъемной трубы в скважину и удерживает жидкость в подъемной трубе. При включении насоса клапан открывается за счет подъема шарика напором жидкости, а при выключении насоса клапан закрывается вследствие опускания шарика под действием своей силы тяжести. Клапан расположен внутри водоподъемной трубы и, несмотря на малые размеры запорного элемента при высоконапорном потоке жидкости, надежно работает.
Однако этот клапан невозможно применить при подъеме воды из шахтных и трубчатых колодцев путем вытеснения воды вверх утопающим в воде телом по патенту №2431059. В этом случае клапан должен быть закрыт при подаче воды потребителю, а открываться должен при поступлении воды из водоема в корпус водоподъемника.
Задача изобретения закрывать клапан при погружении рабочего тела в корпусе водоподъемника, чтобы вода не уходила в водоем. Открывать же клапан надо при подъеме рабочего тела, чтобы вода из водоема могла заходить в корпус водоподъемника.
Технический результат достигается тем, что для закрытия клапана используется давление в корпусе при погружении рабочего тела, а для открытия клапана используется гидростатическое давление водоема и гидродинамическое давление движущегося потока из водоема в корпус водоподъемника. Для этого запорный элемент клапана выполняется в виде горизонтальной плоской крышки, размещенной на вертикальной стойке, проходящей через входное отверстие в дне корпуса с возможностью ее вертикального перемещения. На нижнем конце стойки размещается ограничитель движения вверх запорного элемента.
Таким образом, клапан, содержащий запорный элемент, установленный с возможностью осевого перемещения внутри корпуса водоподъемника, седло, ограничитель перемещения запорного элемента, закрепленный с помощью резьбовой втулки, согласно изобретению снабжен вертикальной стойкой, соединяющей запорный элемент, выполненный в виде горизонтальной крышки с ограничителем его перемещения и проходящей через отверстие в дне корпуса водоподъемника. Таким образом, запорный элемент клапана находится внутри корпуса водоподъемника, а ограничитель его перемещения в водоеме. Для защиты ограничителя перемещений клапана от механических повреждений в водоеме корпус водоподъемника продлен ниже дна водоподъемника. При этом поперечный размер ограничителя больше поперечного размера отверстия в дне корпуса водоподъемника, через которое проходит стойка, связывающая запорный элемент с ограничителем его движения.
Клапан изображен на прилагаемом к описанию чертеже. Клапан размещен в дне корпуса водоподъемника 1 ниже рабочего тела 7, перемещающегося вдоль корпуса по вертикали. Он включает плоский запорный элемент 2, седло 3, ограничитель 4 перемещения по вертикали запорного элемента 2, стойку 5, связывающую запорный элемент 2 с ограничителем 4, резьбовую втулку 6, фиксирующую положение ограничителя на стойке 5, защитный кожух 8 ограничителя 4 перемещения клапана. Диаметр ограничителя больше диаметра отверстия в дне корпуса водоподъемника, чтобы остановить перемещение запорного элемента вверх при поступлении воды из водоема в корпус водоподъемника. Однако чтобы ограничитель не препятствовал поступлению воды из водоема в корпус, ограничитель выполнен перфорированным. Диаметр крышки запорного элемента 2 составляет 0,8…0,98 внутреннего диаметра корпуса водоподъемника 1. При этом нижнее значение диаметра запорного элемента гарантирует полное перекрытие отверстия в дне корпуса при погружении рабочего тела, а верхнее значение диаметра запорного элемента гарантирует прохождение запорного элемента внутри корпуса водоподъемника без трения о его стенки. При этом диаметр центральной часть крышки запорного элемента близок к диаметру отверстия в дне корпуса и выполнен непроницаемым, а ее периферийная часть перфорирована. Такое выполнение запорного элемента обеспечивает при нижнем его положении надежное перекрытие потока, а при верхнем положении обеспечивается пропуск воды из водоема внутрь корпуса водоподъемника.
Клапан работает следующим образом. При подготовке к работе водоподъемник размещают в водоеме таким образом, чтобы клапан был погружен в водоем на глубину не менее длины рабочего хода погружаемого тела, а лучше 2…3 рабочего хода. Перед началом работы корпус 1 водоподъемника заполнен водой, крышка 2 клапана закрывает донное отверстие корпуса, а погружаемое тело находится в верхнем крайнем положении. При погружении рабочего тела в корпус водоподъемника появляется избыточное давление, вытесняющее воду вверх и прижимающее запорный элемент 2 клапана к седлу 3. Такое положение сохраняется до тех пор, пока погружаемое тело не достигнет дна корпуса и не остановится. При этом ограничитель движения клапана находится внутри защитного кожуха 8. Так как дно корпуса 1 расположено ниже свободной поверхности воды в водоеме, то на запорный элемент клапана крышку 2 действует гидростатическое давление, равное р=Yh, где Y - объемный вес воды, a h - глубина погружения запорного элемента 2 в водоем. Это давление формирует силу гидростатического давления на запорный элемент 2 со стороны водоема. Эта сила равна F=pS, где S - площадь запорного элемента 2, контактирующего с водоемом. Если сила F будет больше веса клапана G, то вслед за поднимающимся рабочим телом 7 под действием гидростатического давления водоема будет подниматься вверх и запорный элемент 2 клапана, а вместе с ним и весь клапан.
При весе клапана 1 кг и погружении клапана в водоем на 1 м площадь запорного элемента клапана должна быть
S = F/p = F/Yh = 1 кг/1000 кг в метре кубическом 1 м = 0,001 м квадратного. Тогда диаметр крышки запорного элемента 2 должен быть больше 0,027 м. Это вполне реальный результат. Таким образом, в нашем случае при диаметре запорного элемента клапана больше 27 мм клапан всегда будет открываться при подъеме погружаемого тела 7 в корпусе. Когда пойдет вода через клапан, то сила, действующая на запорный элемент, возрастет за счет гидродинамического воздействия потока. Поэтому можно считать, что открывание клапана будет гарантированным. При открытии клапана вода из водоема заполнит внутреннее пространство водоподъемника и установится на одном уровне с водоемом. Это означает, что водоподъемник подготовлен к очередному циклу подъема воды. При этом клапан под действием своей силы тяжести опустится в нижнее положение и закроет вход из водоема в корпус водоподъемника.