КЛАПАН ЗАПОРНЫЙ С РАЗГРУЖЕННЫМ ЗАТВОРОМ
STOP VALVE WITH UNLOADED STOP

Изобретение относится к машиностроению, а именно к клапанам запорным с разгрузочным затвором, применяемым в промышленной трубопроводной арматуре, и может быть использовано для перекрытия рабочих сред жидкостей и газов с большим давлением и с высокой температурой с двухсторонним направлением потока рабочей среды, преимущественно в ядерной промышленности.
Известны конструкции клапанов на высокие параметры рабочей среды с двухсторонним направлением потока (см. «Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф.Гуревич и др. Атомиздат, 1978, рис.3.23, 4.3). Указанные конструкции клапанов имеют недостатки: большие габаритные размеры и масса арматуры, высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, что снижает герметичность и ресурс клапанов, низкая пропускная способность и скорость срабатывания клапанов.
Известны конструкции запорного и запорно-регулирующего клапана с разгрузочным плунжером (см. «Регулирующие устройства и приборы автоматического управления» фирмы «Руст», Москва, 2009, рис.12, 13), данные клапана которого имеют разгруженный плунжер с выполненными отверстиям в верхней части плунжера, которые почти полностью разгружают плунжер от перепада давлений в верхней и нижней камере цилиндра. Неразгруженной от действия рабочей среды оказывается только площадь штока, а поскольку она незначительна, то усилие привода клапана существенно уменьшено. Конструкция имеет уплотнения плунжера, которые изготовлены в основном из резины и полимера. Они обеспечивают необходимую герметичность затвора и исключают протечку рабочей среды в зазоре между втулкой и плунжером, снижая попадания в зазор механических загрязнений. Данная конструкция клапана хорошо работает в чистых рабочих средах, но в загрязненных средах уплотнения склонны к загрязнению, при этом увеличивается осевое усилие на перемещение плунжера и возможна его остановка. Другим существенным недостатком является ограниченный температурный интервал (от - 100°C до 230°C), в пределах которого удовлетворительно работают уплотнительные материалы радиальных уплотнений.
Получить герметичное перекрытие потока рабочей среды в положении клапана «закрыто» очень сложно, так как герметичность затвора клапана определяется как основным уплотнением затвора-плунжера, так и радиальными уплотнениями плунжера.
В известной конструкции клапана с разгруженным затвором с пилотным клапаном (см. рис.14) камера разгрузки плунжера соединяется с выходным патрубком через вспомогательное седло, перекрываемое в закрытом состоянии подпружиненным пилотным клапаном. За счет устранения жесткой связи между основным и вспомогательным седлами дроссельного узла, протечки в закрытом состоянии клапана можно существенно снизить. Радиальные уплотнения плунжера можно заменить на металлические поршневые кольца, тем самым повысив температурный интервал работы конструкции.
Важнейшим недостатками этой конструкции являются засорение радиального уплотнения даже при слабозагрязненных рабочих средах и работа его только при подаче рабочей среды на «затвор». При обратном перепаде давления пилотный клапан затвора будет открываться. При малых открытиях затвора, когда рабочий ход плунжера сопоставим с ходом пилотного клапана, возможна неустойчивая работа дроссельного узла, особенно на больших перепадах давления.
Разгруженный затвор с пилотным управлением в настоящее время является единственной конструкцией, которая позволяет регулировать рабочую среду с большим перепадом давлений с малым усилием привода и перекрывать проходное сечение большого DN и большого PN за короткий промежуток времени. Однако использовать эту конструкцию для закрытия затвора с двухсторонним направлением потока рабочей среды не предоставляется возможным. Трубопроводы энергетических установок, особенно атомных, требуют двухстороннего перекрытия потока рабочей среды за короткий промежуток времени. Отсечь проходное сечение трубопровода на высокое давление и на большое DN за короткий промежуток времени без разгрузки затвора всегда проблематично.
Именно по этой причине отсечные клапаны с двухсторонним направлением вынуждены делать без разгрузки затвора, используя мощные привода, которые, с одной стороны, обеспечивают малое время на закрытие, а с другой стороны, оказывают значительные динамические усилия на седла в конце закрытия. Из-за ударов затвора об уплотнительную поверхность седла нарушается герметичность затвора.
Наиболее близким техническим решением является решение по патенту РФ на полезную модель №56532. Данный клапан имеет наибольшее количество сходных существенных признаков и обладает тем же существенным недостатком, что и ранее приведенные аналоги, то есть невозможно использовать эту конструкцию для закрытия затвора в случае перемены направления потока рабочей среды.
Данный клапан содержит следующие сходные существенные признаки:
корпус, седло с уплотнительной поверхностью, плунжер, в виде полой втулки с уплотнительной поверхностью и сквозными отверстиями, выполненными в ее днище, с образованием камеры разгрузки плунжера, шток привода, мембранный сильфон со складывающейся формой гофр с концевыми деталями, верхняя из которых герметично соединена с верхней частью плунжера, а нижняя герметично установлена в корпусе клапана, обеспечивая при сжатии сильфона от усилия привода осевое перемещение плунжера, внутренняя полость сильфона через канал, выполненный на нижней концевой детали, сообщена через байпасную линию, снабженную запорным устройством, с полостью давления рабочей среды «под затвор».
Недостатком данного клапана, имеющего разгруженный затвор, является невозможность его работы в случае перемены направления потока рабочей среды.
Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей клапана с разгруженным затвором, работающего при больших давлениях, и больших проходных сечений, а именно достижение возможности его работы в случае перемены направления потока рабочей среды.
Сущность решения технической задачи заключается в том, что верхняя концевая деталь сильфона изготовлена таким образом, что образует с верхним корпусом плунжерную пару и полость между верхним корпусом и наружной поверхностью сильфона, средний диаметр которого выполнен равным среднему диаметру уплотнительной поверхности затвора клапана, клапан снабжен второй байпасной линией с запорным устройством, обеспечивающей соединение полости давления рабочей среды «на затвор» с наружной полостью сильфона, кроме того, оба канала байпасных линий снабжены обратным клапаном, при этом запорные устройства выполнены нормально открытого действия.
Возможно, что между верхней концевой деталью сильфона и верхним корпусом клапана установлены поршневые кольца.
Возможно, что между нижней концевой деталью сильфона и плунжером клапана установлены поршневые кольца.
На фиг. представлен продольный разрез общего вида клапана в открытом положении.
Клапан содержит седло 1 с уплотнительной поверхностью, размещенное в корпусе 2 клапана, плунжер 3, выполненный в виде полой втулки со сквозными отверстиями 4. Металлический сварной сильфон 5 герметично соединен с концевыми деталями 6, 7. Верхняя концевая деталь 6 герметично соединена с верхней частью плунжера 3, а нижняя деталь 7 герметично установлена между верхним корпусом 8 и фланцем корпуса 2 клапана. Внутренняя полость сильфона Б через канал, выполненный в концевой детали 7 и штуцер 9, сообщена через обратный клапан 10, байпасную линию и штуцер 11 с полостью рабочей среды А «под затвор». Байпасная линия содержит запорное устройство 12 нормально открытого действия (НО). Плунжер 3, герметично соединенный с концевой деталью 6, снабжен уплотнительными кольцами 13, 14, которые обеспечивают относительную герметичность полостей сильфона Б и В. Полость В через канал в концевой детали 7 и штуцер 17, обратный клапан 18 соединена с байпасной линией через запорное устройство 16 нормально открытого действия, и штуцер 15 соединен с полостью Г.
Перемещение плунжера 3 производится приводом через шток 19, который герметизируется относительно внешней среды сильфоном 20, выполненным по ГОСТ 21744-85. Запорный клапан с разгруженным затвором позволяет использовать привод с небольшим усилием для перемещения. В связи с этим шток изготовлен малого поперечного сечения даже для арматуры больших DN и PN. Малый диаметр штока позволяет использовать многослойные сильфоны на высокие давления до 25 МПа.
Это является еще одним из достоинств предлагаемого клапана в части повышения его герметичности относительно внешней среды.
Клапан работает следующим образом.
В открытом положении, когда поток рабочей среды перемещается из полости А в полость Г корпуса 2, рабочая среда через сквозные отверстия 4 проходит в верхнюю часть плунжера 3, затем через концевой зазор поршневых колец 14 заполняет полость В. Одновременно рабочая среда под тем же давлением устремляется через штуцер 11, запорное устройство нормально открытого действия (НО) 12, обратный клапан 10, штуцер 9 и каналы нижней концевой детали 7 в полость Б.
Плунжер 3 разгружен. При перемещении плунжера вниз затвор клапана закрывается, одновременно сжимается сильфон 5 и разжимается сильфон 20 на величину рабочего хода клапана. Уплотнительная поверхность плунжера 3 опирается в уплотнительную поверхность седла корпуса 1, при этом сильфон 5 почти полностью сжат. Между гофрами остаются минизазоры величиной 0,03-0,04 мм. При работе клапана обратный клапан 18 от перепада давления закрывается и отсекает поток рабочей среды через штуцер 15 в полость Г.
Усилием привода через шток 19 обеспечивается перекрытие плунжером 3 потока рабочей среды и герметизация уплотнительных поверхностей затвора. После чего подается команда на закрытие запорных устройств 12, 16, которые нарушают разгрузку сильфона 5 и предотвращают протечки рабочей среды в полость Г. При этом, когда сильфон 5 почти полностью сжат, он превращается в жесткую гофрированную втулку, способную выдержать очень высокие наружные или внутренние давления рабочей среды.
В случае если поток рабочей среды меняет свое направление в положении открыто и перемещается из полости Г в полость А корпуса 2, рабочая среда заполняет полость под плунжером 3, через концевой зазор поршневых колец 13, заполняет полость Б и одновременно устремляется через штуцер 15, открытое запорное устройство 16, обратный клапан 18, штуцер 17 и каналы нижней концевой детали 7 в полость В. Обратный клапан 10 при этом закрывается. Плунжер 3 разгружен, после чего может происходить его движение на закрытие.
При открытии клапана подается команда на открытие запорных устройств 12, 16, после чего открывается обратный клапан 10 или 18 в зависимости от направления рабочей среды. Рабочая среда заполняет полости Б, В, разгружая при этом сильфон 5, и плунжер в разгруженном состоянии готов к работе.
Следует отметить, что для предотвращения разрыва сильфона 5 от перепада избыточного наружного или внутреннего давления, могут применяться только запорные устройства 12, 16 нормально открытого действия (НО), то есть даже в случае отсутствия питания привода запорные устройства будут находиться в открытом положении и сильфон 5 будет находиться в разгруженном состоянии.
Предложенное оригинальное решение осуществлено на опытном образце на предприятии заявителя и может быть широко использовано в качестве запорного органа, отсечного запорного органа с размещением в проходных, угловых конструкциях корпусов и в корпусе клапана осевого потока.
Перечисленные признаки отличают техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.