КЛАПАН ЗАПОРНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
ELECTROMAGNETIC SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к автоматической арматуре с дистанционным управлением, а именно к запорным электромагнитным нормально-закрытым клапанам, предназначенным для автоматического перекрытия потоков газообразных сред на газопроводах систем газораспределения и газопотребления природного газа. Клапан запорный электромагнитный предназначен и для прекращения подачи природного газа в качестве топлива к горелкам газовых установок в случае несанкционированного отключения электроэнергии. Клапан может быть использован в блоке газооборудования автоматического.
Известен вакуумный клапан с электромагнитным приводом и гидравлическим демпфером (SU, патент №1766279A3, кл. F16K 31/02, опубл. 30.09.1992 г.), содержащий электромагнитный привод, установленный на корпус клапана. В закрытом состоянии клапана запорный орган прижимается пружиной к седлу. Запорный орган соединен с сердечником электромагнита посредством штока. В сердечнике выполнена расточка и в ней размещен гидроцилиндр демпфера, поршень которого жестко закреплен на штоке. В верхней части сердечника выполнены сквозные отверстия, в которых размещены штифты, контактирующие нижними торцами с гидроцилиндром. Открывание запорного органа происходит в два этапа. На первом этапе гидравлический демпфер не включается в работу, и перемещение запорного органа происходит без торможения. Затем начинается второй этап подъема запорного органа. После упора штифтов в стоп, гидроцилиндр перестает перемещаться, а сердечник со штоком продолжает двигаться по направлению к стопу, перемещая поршень в гидроцилиндре, что приводит к торможению перемещения запорного органа. В известном клапане решена задача снижения ударных нагрузок и вибрации в режиме «открывания» клапана. Однако конструкция гидравлического демпфера требует установки дополнительных уплотнений, предотвращающих протечки жидкости из гидроцилиндра. Дополнительные уплотнения подвергаются изнашиванию из-за возвратно-поступательного движения штока. Это приводит к нарушению герметичности и, следовательно, к снижению надежности известной конструкции и его срока эксплуатации. При этом конструкция гидравлического демпфера работает и в процессе закрывания клапана, что ведет к торможению закрывания клапана.
Известно, что с увеличением проходного сечения клапана увеличивается необходимая для открытия клапана мощность электромагнита. С ростом мощности увеличивается масса и, соответственно, рабочая температура электромагнитного привода, что ведет к снижению надежности клапана. Кроме того, известно, что для открытия запорного электромагнитного нормально-закрытого клапана (кратковременный режим) необходим ток, значительно превышающий ток, необходимый для удержания в открытом состоянии клапана (длительный режим). Следовательно, не использование средств, позволяющих снизить расход электроэнергии в режиме «удержания» клапана приводит к тому, что в режимах «открывания» и «удержания» на электромагнитную катушку подается величина тока, необходимая для открывания клапана. Это тоже ведет к увеличению рабочей температуры электромагнитного привода. В известном вакуумном клапане с электромагнитным приводом и гидравлическим демпфером не описаны средства, с помощью которых можно было бы снизить расход электроэнергии, необходимой для работы клапана.
Известен клапан запорный газовый с электромагнитным приводом (RU, свидетельство на полезную модель №15044U1, кл. G08B 17/10, опубл. 10.09.2000 г.), в котором решена задача снижения расхода электроэнергии, необходимой для работы клапана, путем введения защелки с электромагнитным приводом. Фиксация штока осуществляется якорем защелки после полного открытия запорного элемента. Якорь защелки, расположенный перпендикулярно штоку, выдвигается из-за воздействия пружины защелки. В процессе «удержания» клапана электромагнитные приводы клапана и защелки обесточены, вследствие чего происходит снижение расхода электроэнергии. Для закрытия клапана ток подается на электромагнитный привод защелки, мощность которого значительно ниже мощности электромагнитного привода клапана. Электромагнитный привод защелки тянущего типа перемещает якорь в полость втулки, а тот в свою очередь перестает контактировать со штоком. Прекращается фиксация штока от перемещения, и запорный элемент возвращается в исходное состояние. В отличие от заявляемого изобретения в известном клапане ставится задача предотвратить закрытие клапана в случае несанкционированного отключения электроэнергии, тогда как в заявляемом изобретении предложена конструкция защелки с электромагнитным приводом толкающего типа для того, чтобы в случае отключения электроэнергии обеспечить закрытие клапана и предотвратить подачу газа на горелку.
Для создания экономичной для эксплуатации конструкции запорного клапана, при использовании его в системах высокого давления и в системах с большим расходом рабочей среды используют клапаны с разгрузкой от осевых сил. Для этого в конструкции клапана помимо основного запорного органа применяют вспомогательный запорный орган с уменьшенными геометрическими параметрами. Это позволяет уменьшить потребляемый ток на открытие клапана. К таким клапанам относится электромагнитный клапан (SU, авторское свидетельство №310082, кл. F16K 31/06, опубл. 26.07.1971 г.), принятый в качестве прототипа для предлагаемого изобретения. Известный клапан является нормально-закрытым и содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе расположен главный запорный орган. В главном запорном органе расположен разгрузочный запорный орган. В корпусе клапана соосно друг другу расположены главный электромагнит и электромагнит защелки. Якорь соединен со штоком. Другой конец штока соединен с разгрузочным запорным органом. Для того чтобы открыть клапан подается ток на главный электромагнит. Якорь движется к стопу, при этом сжимая возвратную пружину, расположенную между якорем и стопом. Затем происходит поочередное поднятие разгрузочного запорного органа и главного запорного органа. Когда главный запорный орган открывает проход в седле, шарики защелки усилием пружины защелки выталкиваются в проточки на штоке. Фиксируются шарики якорем электромагнита защелки. В процессе «удержания» клапана электромагнитные приводы клапана и защелки обесточены. В результате уменьшение потребляемой электроэнергии происходит не только за счет использования вспомогательного запорного органа, но и еще за счет отключения электромагнитных приводов в режиме «удержания» клапана. Для того чтобы вернуть клапан в исходное положение на электромагнит защелки подается ток, якорь защелки поднимается кверху и освобождает шарики. Под действием возвратной пружины запорные органы возвращаются в исходное положение. В данном электромагнитном клапане защелка, так же как и в выше описанном клапане запорном газовом с электромагнитным приводом, предназначена для удержания клапана в открытом состоянии в случае отключения электроэнергии. К тому же в них не описаны средства, позволяющие снизить ударные нагрузки якоря в процессе его движения к стопу.
Задачей изобретения является повышение надежности клапана путем снижения ударных нагрузок и снижение расхода электроэнергии.
Снижение расхода электроэнергии в клапане запорном электромагнитном достигается тем, что он содержит корпус, входной и выходной патрубки, седло, сердечник и якорь электромагнита, поршень, расположенный в корпусе, запорный орган, расположенный в поршне, пружину, шток, один конец которого соединен с запорным органом, а другой конец штока соединен с якорем электромагнита, при этом якорь имеет возможность осевого перемещения, а в поршне выполнено дроссельное отверстие, соединяющее полость входного патрубка и внутреннюю полость поршня. При этом клапан может содержать защелку с электромагнитным приводом, которая фиксирует якорь в режиме «удержания». Снижение ударных нагрузок в клапане достигается тем, что сердечник и якорь, имеющий возможность перемещения, установлены в направляющем цилиндре, при этом между сердечником и якорем образована камера пневмоторможения, в якоре выполнено осевое отверстие, внутри которого установлен жиклер с дроссельным каналом, шарик и пружина.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг.1 показан клапан запорный электромагнитный с защелкой.
На фиг.2 показана защелка.
На фиг.3 показан клапан запорный электромагнитный без защелки.
Клапан запорный электромагнитный (далее клапан) содержит следующие элементы:
электромагнит, содержащий: 1 - сердечник, 2 - якорь, 3 - направляющий цилиндр, 4 - электромагнитную катушку, 5 - магнитопровод, 6 - нижний фланец, 7 - верхний фланец;
8 - корпус;
9 - входной патрубок;
10 - выходной патрубок;
11 - поршень;
12 - седло;
13 - внутреннюю полость поршня;
14 - запорный орган;
15 - седло запорного органа;
16 - дроссельное отверстие в поршне;
17 - тарелку;
18 - втулку;
19 - пружину;
20 - шток;
21 - камеру пневмоторможения;
22 - отверстие в якоре;
23 - пружину;
24 - шарик;
25 - жиклер;
26 - осевое отверстие;
27 - дроссельный канал;
защелку, содержащую: 28 - корпус, 29 - направляющий цилиндр,
30 - электромагнитную катушку, 31 - магнитопровод, 32 - нижний фланец, 33 - верхний фланец, 34 - якорь, 35 - шток, 36 - сердечник, 37 - стопор, 38 - выступ, фиксирующий стопора, 39 - тарелка, 40 - пружина;
41 - выступ якоря;
42 - кольцо.
Основными элементами предлагаемого клапана запорного электромагнитного являются корпус клапана с запорными элементами, тянущий электромагнит и защелка.
Электромагнит содержит (смотри фиг.1) сердечник 1, якорь 2, направляющий цилиндр 3, электромагнитную катушку 4, магнитопровод 5 и фланцы 6 и 7. Неподвижный сердечник 1 и якорь 2 расположены в направляющем цилиндре 3. Якорь 2 имеет возможность осевого перемещения в направляющем цилиндре. Электромагнитная катушка 4, магнитопровод 5, нижний фланец 6 и верхний фланец 7 расположены на направляющем цилиндре 3.
Корпус 8 клапана выполнен с входным 9 и выходным 10 патрубками для соединения с магистралью газопровода. Во внутренней полости корпуса расположен поршень 11, выполняющий функцию основного запорного органа в клапане и предназначенный для закрытия прохода в седле 12. Седло 12 расположено на внутренней поверхности стенки корпуса 1. Входной 9 и выходной 10 патрубки могут иметь такое расположение, при котором их оси будут перпендикулярны. На торцевой поверхности цилиндрического поршня расположено уплотнение, контактирующее с поверхностью седла 12 для обеспечения герметичности в закрытом положении клапана.
Поршень 11 выполнен со сквозным отверстием переменного диаметра, ось которого совпадает с осью поршня. Со стороны торца поршня, обращенного к электромагниту, отверстие имеет наибольший диаметр и образует внутреннюю полость 13 поршня. Со стороны торца поршня, контактирующего с седлом 12, в отверстии установлен запорный орган 14 и седло 15 запорного органа. В стенке поршня выполнено дроссельное отверстие 16, соединяющее полость входного патрубка и внутреннюю полость поршня. На боковой цилиндрической стенке поршня установлены кольца. Во внутренней полости поршня расположена тарелка 17 со сквозными отверстиями. Перемещение тарелки во внутренней полости поршня ограничено втулкой 18. Тарелка является упором для пружины 19. Запорный орган 14, выполняющий роль вспомогательного запорного органа, соединен со штоком 20. Другой конец штока соединен с якорем 2. Для жесткого соединения штока с запорным органом и с якорем используются штифты. Шток 20 имеет буртик, контактирующий с тарелкой 17. Торцевые поверхности сердечника 1 и якоря 2 и стенки направляющего цилиндра 3 образуют камеру 21 пневмоторможения.
В якоре выполнено сквозное осевое отверстие 22 переменного диаметра, соединяющее внутреннюю полость корпуса и камеру 21 пневмоторможения. Отверстие 22 выполнено с переменным диметром для осуществления возможности установки в нем демпфирующего устройства. В отверстии 22 (смотри фиг.2) со стороны внутренней полости корпуса последовательно расположены жиклер 25, шарик 24 и пружина 23. В жиклере выполнены осевое отверстие 26 и дроссельный канал 27. Пружина 23 и шарик 24 удерживаются в отверстии якоря жиклером 25, жестко соединенном с якорем 2 при помощи резьбы. Пружина 23, шарик 24 и жиклер 25 образуют демпфирующее устройство, предназначенное для плавного движения якоря при открытии клапана и для быстрого движения якоря при закрытии клапана. Такой режим работы клапана обусловлен эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к клапанам, предназначенным для подачи природного газа к газовым горелкам.
Возможны два варианта конструктивного исполнения клапана.
В первом варианте (фиг.1) между электромагнитом и корпусом клапана расположена защелка. Защелка предназначена для фиксации от перемещения якоря 2, а именно для удержания якоря в неподвижном состоянии после того, как электромагнит втянул якорь 2 и поршень 11 открыл проход в седле 12.
Защелка клапана (фиг.2) состоит из корпуса 28, направляющего цилиндра 29, электромагнитной катушки 30, магнитопровода 31, нижнего 32 и верхнего 33 фланцев, якоря 34, штока 35, неподвижного сердечника 36, стопора 37 с фиксирующим выступом 38, тарелки 39, пружины 40.
Привод защелки выполнен в виде электромагнита толкающего типа. Управление защелкой должно осуществляться в автоматическом режиме. Защелка расположена таким образом, чтобы ось стопора 37 защелки была перпендикулярна оси якоря 2. Корпус 28 защелки закреплен на корпусе 8 клапана с помощью прижимного кольца 42. На корпусе 28 защелки установлен направляющий цилиндр 29, в котором расположены якорь 34 и сердечник 36. На направляющем цилиндре 29 расположена электромагнитная катушка 30, магнитопровод 31 и нижний 32 и верхний 33 фланцы электромагнита защелки. Основание направляющего цилиндра 29 выполнено в виде стакана, в торец которого пружиной 40 прижата тарелка 39. Якорь 34 соединен со штоком 35, который взаимодействует со стопором 37 защелки. На стопоре 37 выполнен фиксирующий выступ 38, предназначенный для взаимодействия с выступом 41 якоря 2.
В первом варианте исполнения (фиг.1) клапана пружина 19 установлена между корпусом 28 защелки и тарелкой 17, а якорь 2 располагается в вертикальном цилиндрическом отверстии корпуса 28 защелки.
Во втором варианте (фиг.3) электромагнит установлен на корпус 8 клапана. В этом случае пружина 19 установлена между электромагнитом и тарелкой 17.
Клапан запорный электромагнитный работает следующим образом (для варианта без защелки).
Исходное состояние клапана - нормально-закрытое. В этом состоянии электромагнитная катушка 4 обесточена. Поршень 11 закрывает проход в седле 12. К клапану подведено рабочее давление от источника магистральной газовой системы. Через дроссельное отверстие 16 в поршне 11 рабочая среда поступает во внутреннюю полость 13 поршня, далее через отверстия в тарелке 17 во внутреннюю полость корпуса 1 и через дроссельный канал 27 в жиклере и далее через отверстие 22 в якоре рабочая среда поступает в камеру пневмоторможения 21. Поршень 11 прижат к седлу 12 рабочей средой и пружиной 19. Запорный орган 14 закрывает проход в седле 15.
В режиме «открывания» клапана на электромагнитную катушку 4 подается величина тока Jоткр., достаточная для открывания клапана. Якорь 2 движется к сердечнику 1 и перемещает шток 20 с запорным органом 14. При этом пружина 19 начинает сжиматься. Открывается проход в седле 15 запорного органа. Рабочая среда из внутренней полости поршня 13 попадает в полость выходного патрубка. С этой целью в запорных органах выполняются проточки или отверстия. Поскольку сопротивление истечению рабочей среды из внутренней полости 13 поршня в полость выходного патрубка гораздо меньше, чем сопротивление в дроссельном отверстии 16, соединяющем полость входного патрубка и внутреннюю полость поршня, то давление во внутренней полости 13 поршня и полости выходного патрубка выравниваются. Конструктивно диаметр поршня больше диаметра седла 12, благодаря чему возникает избыточная сила, направленная вверх. Эта сила «отрывает» поршень от седла 12. Величина перемещения запорного органа 14 равна расстоянию между тарелкой 17 и втулкой 18. После упора тарелки во втулку шток начинает подъем поршня 11. Объем камеры 21 пневмоторможения уменьшается и рабочая среда из камеры 21 по отверстию 22 в якоре возвращается во внутреннюю полость 13 поршня. При этом рабочая среда проходит через демпфирующее устройство, состоящее из пружины 23, шарика 24 и жиклера 25. Поскольку давление в камере 21 больше, чем во внутренней полости 13 поршня, шарик 24 закрывает осевое отверстие 26 в жиклере, и рабочая среда проходит по дроссельному каналу 27. Диаметр дроссельного канала 27 рассчитан с тем условием, чтобы обеспечить плавное перемещение якоря в режиме «открывания» клапана. Это позволяет смягчить вибрацию и ударные нагрузки клапана.
После режима «открывания» клапан переходит в режим «удержания», продолжительность которого значительно превышает время режима «открывания».
Для возвращения клапана в исходное состояние, а именно закрытие клапана прекращается подача тока на электромагнитную катушку 4. Пружина 19, разжимаясь, воздействует на шток 20 через тарелку 17. Якорь 2 начинает перемещение от сердечника 1. Объем камеры 21 пневмоторможения увеличивается, что ведет к уменьшению в ней давления. Шарик 24 открывает осевое отверстие 26 в жиклере и рабочая среда из внутренней полости 13 поршня поступает через дроссельный канал 27 и осевое отверстие 26 жиклера в отверстие 22 якоря, и далее в камеру пневмоторможения 21.
Запорный орган 14 закрывает проход в седле 15, а поршень 11 закрывает проход в седле 12.
В варианте, когда в конструкцию клапана введена защелка (фиг.1), ток на электромагнитную катушку 30 электромагнита защелки подается только в режиме «удержания» клапана. В этом случае якорь 34 движется к сердечнику 36, шток 35, соединенный с якорем 34, воздействует на стопор 37. Выступ 38 защелки, выполненный на стопоре, фиксирует выступ 41 якоря, после того как поршень 11 откроет проход в седле 12. После этого на электромагнитную катушку 4 клапана прекращается подача тока. Поскольку в защелке используется электромагнит, мощность которого значительно ниже мощности электромагнита, используемого для открывания клапана, значительно сокращается расход электроэнергии и, следовательно, увеличивается надежность клапана. При возвращении клапана в исходное закрытое состояние, подача тока на защелку прекращается. Пружина 40 защелки разжимается и перемещает тарелку 39, которая в свою очередь перемещает стопор 37 в крайнее правое положение. Фиксирующий выступ 38 выходит из зацепления с выступом 41 якоря.