Быстродействующий запорно-регулирующий шаровой кран

Изобретение относится к электроприводной арматуре, используемой, в частности, в системах топливообеспечения энергетических котлоагрегатов и газопотребляющих систем, и может быть использовано для обеспечения взрывобезопасного и экономичного сжигания углеводородного топлива (газ, мазут) в энергетических котлоагрегатах.
Обеспечение взрывобезопасности и эффективного сжигания природного газа регламентируется документом: Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности сетей газораспределения и газопотребления». Правила указывают на необходимость установки быстрозапорных отсечных клапанов, время срабатывания которых не должно превышать одной секунды.
Известны различные конструкции запорных, регулирующих и запорно-регулирующих кранов, отличающихся по типу затвора (шарового, цилиндрического, конусного) и типу привода - электрического, электромагнитного, поршнево-пневматического, гидравлического, пневмогидравлического, ручного (Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков. Справочник конструктора трубопроводной арматуры, Л.: Машиностроение, 1987, с.68).
К недостаткам этого крана следует отнести невозможность мгновенного (в течение не более одной секунды) автоматического закрытия крана при прекращении подачи электроэнергии, что может привести к аварийной ситуации при работе с агрессивными и взрывоопасными средами.
Известен механизм аварийного срабатывания, установленный между электроприводом и клапаном, содержащий подпружиненный шток, воздействующий на затворную часть клапана, для перевода затворной части клапана в открытое или закрытое положение при аварийных ситуациях и в случаях, предусмотренных технологическим процессом, отличающийся тем, что выполнен в виде отдельного электромеханического блока, внутри которого расположена электромагнитная муфта сцепления, входной вал для соединения с электроприводом, выходной вал для соединения со штоком клапана, нагруженный одной или более спиральными возвратными пружинами, электронного блока управления, функционально решающего задачи, связанные с алгоритмом работы муфты сцепления (RU 2514451, C1, F16K 31/02, 27.04.2014).
К недостаткам механизма следует отнести невозможность применения для шаровых запорных элементов в связи с отсутствием ограничителей хода штока, использованием многооборотной спиральной возвратной пружины и определением текущего положения запорного элемента только при сомкнутом состоянии муфты сцепления.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, шаровой затвор со шпинделем, электропривод с приводным валом, пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, промежуточный вал, сопряженный с возможностью передачи крутящего момента со шпинделем шарового затвора, плавающую и подпружиненную втулку, способную аксиально перемещаться относительно промежуточного вала, при этом втулка связана с приводным валом электропривода сопряжением квадрат в квадрате, а с промежуточным валом - зацеплением типа паз-выступ, кроме этого втулка соединена с сердечниками двух вертикальных электромагнитов, установленных на основании пустотелого цилиндра, отличающийся тем, что на промежуточном валу с возможностью передачи крутящего момента установлен диск, на наружной поверхности которого с равномерным шагом выполнены зубья трапецеидального профиля, которые сопрягаются с зубьями аналогичного профиля, выполненными на наружной поверхности двух параллельных цилиндрических реек, установленных тангенциально диску, при этом каждая рейка подпружинена и имеет возможность тангенциального перемещения по коаксиальным жестко закрепленным направляющим. RU 2 616 435 C1, F16K 5/06, 31/02, 31/54 14.04.2017).
К недостаткам указанного крана следует отнести сложность конструкции, в том числе, применение двух приводных пружин, несимметричное действие которых может вызывать заклинивание механизма, а также большие габаритные размеры из-за применения реек и пружин сжатия, длины которых привязаны к ходу перемещения затворной части клапана и не позволяют уменьшить конструкцию, невозможность автоматического начала работы после возобновления подачи электроэнергии, а также отсутствие возможности определения крайних положений запорного элемента.
Известен и является наиболее близким к предложенному шаровой кран, содержащий корпус с размещенным в нем шаровым запорным элементом и присоединенным к запорному элементу шпинделем, электропривод с приводным валом, размещенный между корпусом и электроприводом промежуточный вал, соединяющую промежуточный вал со шпинделем втулку с осевым отверстием прямоугольного сечения, размеры которого соответствуют размерам концов шпинделя и промежуточного вала, соединяющую промежуточный вал с приводным валом муфту сцепления со сквозным отверстием, соосную с обоими валами и имеющую прорези в стенках для прохода соединяющих валы с муфтой шплинтов, проходящих через отверстия в валах, перпендикулярные осям валов, причем оси шплинтов перпендикулярны друг другу, стакан, содержащий цилиндрический корпус, крышку с отверстием в центре для прохода приводного вала и соединенное с фланцем корпуса основание с цилиндрическим выступом внутри стакана, имеющее сквозное отверстие в центре для прохода шпинделя и втулки, ограничитель поворота втулки, проходящий через горизонтальную прорезь в стенке цилиндрического выступа основания стакана, плавающий фланец, способный перемещаться внутри стакана со скольжением по промежуточному валу вдоль его оси и без возможности поворота относительно промежуточного вала, пружину осевого перемещения, расположенную между плавающим фланцем и цилиндрическим выступом основания стакана, пружину кручения, соосную с промежуточным валом, прикрепленную одним концом к основанию стакана, а другим концом - к втулке, причем муфта сцепления, плавающий фланец и пружина кручения размещены внутри стакана, и шаровой кран снабжен спусковым механизмом для закрытия крана, включающим рычаг, находящийся в контакте с пружинным толкателем, управляемым с помощью соленоида, и связанный с роликом, находящимся в контакте с верхней плоскостью плавающего фланца, отличающийся тем, что на обращенных друг к другу поверхностях плавающего фланца и муфты сцепления расположены взаимодействующие друг с другом клиновые выступы, а спусковой механизм содержит наружный и внутренний рычаги, укрепленные на общей оси, проходящей через отверстие в стенке стакана, причем на конце внутреннего рычага укреплен ролик, находящийся в контакте с верхней плоскостью плавающего фланца, а на конце наружного рычага - ролик, находящийся в контакте с собачкой, удерживаемой толкателем соленоида, и наружный рычаг находится в контакте с дополнительным пружинным толкателем. (RU 2546344 C1, F16K 5/06, 31/02, 10.04.2015).
Недостатками крана являются появляющийся перекос плавающего фланца, вызванный несимметричным воздействием внутренних рычагов спускового механизма, невозможность зацепления промежуточного вала с муфтой из-за равенства длины прорези в муфте и высоты поднятия плавающего фланца клиновыми выступами, а также невозможность определения положения запорного элемента при разомкнутой муфте.
Указанные недостатки могут вызывать несрабатывание функции быстрого закрытия крана при появлении аварийного сигнала или прекращении подачи электроэнергии.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в усовершенствовании конструкции крана для повышения надежности функции быстрого закрытия шарового крана, реализации функции определения текущего и крайних положений запорного элемента при любом состоянии муфты, автоматического ввода в действие крана после срабатывания функции быстрого закрытия.
Техническим результатом, полученным при осуществлении изобретения, является обеспечение автоматического быстрого (менее одной секунды) закрытия крана в случае прекращения подачи электроэнергии к приводу крана, определения текущего и крайних положений запорного элемента при любом состоянии муфты, автоматического ввода в действие крана после срабатывания функции быстрого закрытия.
Для достижения указанного результата предложен шаровой кран, содержащий корпус с размещенным в нем шаровым запорным элементом и присоединенным к запорному элементу шпинделем, электропривод с приводным валом, размещенный между корпусом и электроприводом входной промежуточный вал, выходной промежуточный вал, втулку с осевым отверстием прямоугольного сечения, размеры которого соответствуют размерам концов шпинделя и выходного промежуточного вала, соединяющую выходной промежуточный вал со шпинделем, механизм сигнализации положения, стакан, содержащий цилиндрический корпус, крышку с отверстием в центре для прохода входного промежуточного вала и соединенное с фланцем корпуса основание с цилиндрическим выступом внутри стакана, имеющее сквозное отверстие в центре для прохода шпинделя и втулки, ограничитель поворота втулки, проходящий через горизонтальную прорезь в стенке цилиндрического выступа основания стакана, цилиндрическую пружину кручения, соосную с выходным промежуточным валом, прикрепленную одним концом к основанию стакана, а другим концом - к втулке, причем пружина кручения размещена внутри стакана, отличающийся тем, что внутри стакана размещена электромагнитная муфта сцепления, соосно соединяющая входной и выходной промежуточные валы, и блок конических шестерен, соединяющий поводок  электромагнитной муфты сцепления с механизмом сигнализации положения.
Сущность изобретения иллюстрируется прилагаемой фиг. 1. На фиг.1 конструкция конкретного воплощения предложенного шарового крана изображена в разрезе.
Предложенный шаровой кран состоит из корпуса 1 с шаровым запорным элементом и шпинделя 2.
На верхнем фланце 3 корпуса 1 установлен стакан, состоящий из основания 4 с цилиндрическим выступом 5, цилиндрического корпуса 6 и крышки 7. Шпиндель 2 проходит через сквозное осевое отверстие в основании 4. Верхний конец шпинделя 2, имеющий прямоугольное сечение, соединен с втулкой 8, расположенной внутри цилиндрического выступа 5 и имеющей сквозное осевое отверстие, сечение которого соответствует сечению верхнего конца шпинделя 2. Втулка 8 соединена с выходным промежуточным валом 9, нижний конец которого имеет прямоугольное сечение, соответствующее сечению сквозного осевого отверстия втулки 8. На втулке 8 укреплен ограничитель поворота 10, проходящий через горизонтальную прорезь в стенке цилиндрического выступа 5. Промежуточный вал 9 соединен с поводком 11 электромагнитной муфты сцепления 12. Ведущий вал муфты 12 соединен с входным промежуточным валом 13, который, в свою очередь, соединен с электроприводом (на фигуре не показан).
На шейке поводка 11 установлена коническая шестерня 14, входящая в зацепление с конической шестерней 15. Шестерня 15 закреплена на валу 16, расположенном в кронштейне 17. На кронштейне 17 располагается механизм сигнализации положения 18, рабочий вал которого входит в зацепление с валом 16.
Пружина кручения 19 охватывает цилиндрический выступ 5; ее нижний конец присоединен к основанию 4, а верхний - к втулке 8.
Шаровой кран работает следующим образом. В случае срабатывания технологической защиты или полного обесточивания шарового крана, прекращается подача электроэнергии на электромагнитную муфту сцепления, и промежуточные валы 9 и 13 расцепляются.  Предварительно закрученная пружина кручения 19 получает возможность раскручиваться, ее движение передается промежуточному валу 9 и соединенному с ним через втулку 8 шпинделю 2, которые поворачиваются до упора в крайнее положение, определяемое конструкцией ограничителя поворота 10. Вращение вала 9 зацеплением блока шестерен 14 и 15 через вал 16 передается рабочему валу механизма сигнализации положения 18, обеспечивая идентификацию крайних положений и текущего значения угла поворота шарового запорного элемента.
При возобновлении подачи электроэнергии включается электромагнитная муфта сцепления, соединяя промежуточные валы 9 и 13, и обеспечивая передачу крутящего момента от электропривода.