Запорно-регулирующий клапан

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры пневматических систем, а также пусковых устройств ручных пневматических шлифовальных машин.
В трубопроводных системах небольшого проходного сечения широкое распространение получили запорно-регулирующие клапаны с поворотным регулирующим органом, выполненным в форме тела вращения (В.Т. Новиков. Трубопроводная арматура, с. 145. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2013. - 291 с.). Арматура данного типа называется также пробковыми кранами. Сам поворотный регулирующий орган называется пробкой либо поворотным золотником.
В большинстве известных конструкций, таких как пробковый кран (Авторское свидетельство СССР №1262177, F16K 5/02, 1986), пробка имеет ось вращения, расположенную перпендикулярно к направлению движения транспортируемой текучей среды. Пробковый кран содержит корпус с отверстием, участок поверхности которого выполнен в форме усеченного конуса, входной полостью, выходной полостью и пробку. Упомянутое отверстие сообщено со сквозными окнами корпуса, сообщающими пробковый кран с входной полостью и выходной полостью. Пробка выполнена в виде втулки с периферийной поверхностью, сопряженной с указанным участком поверхности отверстия корпуса. Пробка прорезана сквозным окном, расположенным напротив сквозных окон корпуса, и установлена с возможностью поворота относительно оси вращения упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон корпуса и сквозных окон пробки. Сопряжение упомянутых поверхностей обеспечивается осевым усилием на пробку, создаваемым пружиной. При разработке пробкового крана пружина должна быть спроектирована таким образом, чтобы создаваемое ей усилие, обеспечивая хорошее сопряжение упомянутого участка поверхности отверстия корпуса с периферийной поверхностью пробки, не препятствовало свободному повороту пробки.
Недостатком описанного пробкового крана является громоздкость, обусловленная перпендикулярным расположением оси вращения пробки по отношению к направлению движения транспортируемой текучей среды. Это препятствует использованию пробковых кранов данного типа в малогабаритных конструктивных элементах, таких как пусковые устройства ручных пневматических шлифовальных машин.
Известен пробковый кран для поливки улиц (Патент на изобретение СССР №12976, 1930), содержащий корпус с отверстием, участок поверхности которого выполнен в форме усеченного конуса, выходной полостью и пробку, выполненную в виде втулки с периферийной поверхностью, сопряженной с указанным участком поверхности отверстия корпуса. Пробка содержит замкнутую внутреннюю полость, ограниченную двумя торцевыми стенками, и две группы радиальных сквозных окон. Первая группа указанных окон сообщена с входным участком трубопроводной системы. Вторая группа указанных окон через окна корпуса сообщена с его выходной полостью корпуса. Пробка установлена с возможностью поворота относительно оси вращения упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон корпуса и второй группы сквозных окон пробки. Ось вращения пробки совпадает с направлением движения транспортируемой текучей среды в выходной полости корпуса, что обеспечивает ее компактность. В пробковом кране для поливки улиц пробка находится под постоянным воздействием осевого усилия, обусловленного разностью давлений с двух сторон пробки: давления со стороны выходной полости корпуса и атмосферного давления со стороны фланца, прилегающего к большему основанию упомянутого усеченного конуса. Это усилие воспринимается указанным фланцем.
Описанная конструкция не обеспечивает сопряжения упомянутых поверхностей без зазора, поэтому может быть использована только в трубопроводных системах, предназначенных для транспортировки жидкой текучей среды под небольшим давлением. Использование данной конструкции в трубопроводных системах, предназначенных для транспортировки газа, невозможно.
Известен пробковый кран для газовых плит (Авторское свидетельство СССР №421841, F16K 5/02, 1974), содержащий корпус с отверстием, участок поверхности которого выполнен в форме усеченного конуса, входной полостью, и пробку, выполненную в виде втулки с внутренней полостью и периферийной поверхностью, сопряженной с указанным участком поверхности отверстия корпуса. Внутренняя полость пробки сообщена с входной полостью корпуса. Упомянутое отверстие корпуса сообщено с выходным участком трубопроводной системы сквозными окнами, выполненными в корпусе. Напротив указанных сквозных окон расположены сквозные окна пробки. Последняя установлена с возможностью поворота относительно оси вращения упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон корпуса и сквозных окон пробки. Ось вращения пробки совпадает с направлением движения транспортируемой текучей среды во входной полости корпуса, что обеспечивает ее компактность.
В пробковом кране пробка находится под постоянным воздействием осевого усилия, обусловленного разностью давлений с двух сторон пробки: давления со стороны входной полости корпуса и атмосферного давления со стороны штока. Для компенсации этого усилия со стороны штока установлена пружина. При разработке пробкового крана пружина должна быть спроектирована таким образом, чтобы результирующая двух встречных осевых усилий, обеспечивая хорошее сопряжение упомянутого участка поверхности отверстия корпуса с периферийной поверхностью пробки, не препятствовала свободному повороту пробки.
Такая конструкция непригодна для использования в трубопроводных системах высокого давления, в которых усилие, создаваемое давлением газа и воспринимаемое пружиной, должно быть весьма существенным. Работа под постоянным усилием в течение длительного времени приводит к постепенному уменьшению коэффициента упругости пружины. Как результат, сопряжение упомянутых поверхностей со временем может ухудшиться, что может привести к протечкам газа в атмосферу. Это препятствует использованию описанного пробкового крана в элементах машин, работающих под высоким давлением, таких как пусковые устройства ручных пневматических шлифовальных машин.
Известен запорно-регулирующий клапан (Авторское свидетельство СССР №1812383, F16K 5/02, 1993), который выбран за прототип. Запорно-регулирующий клапан содержит корпус с отверстием, участок поверхности которого выполнен в форме усеченного конуса, входной полостью, выходной полостью и пробку, выполненную в виде втулки с внутренней полостью и периферийной поверхностью, сопряженной с указанным участком поверхности отверстия корпуса, причем внутренняя полость пробки сообщена с входной полостью корпуса, упомянутое отверстие сообщено с выходной полостью корпуса сквозными окнами, выполненными в корпусе, а пробка прорезана сквозными окнами, расположенными напротив сквозных окон корпуса, и установлена с возможностью поворота относительно оси вращения упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон корпуса и сквозных окон пробки.
В запорно-регулирующем клапане ось вращения пробки совпадает с направлением движения транспортируемой текучей среды во входной полости корпуса. При этом пробка находится под постоянным воздействием осевого усилия, обусловленного разностью давлений с двух сторон пробки: давления со стороны входной полости корпуса и атмосферного давления с обратной стороны пробки. Для компенсации этого усилия с обратной стороны пробки установлен сильфон. Камера, образованная наружной поверхностью сильфона и корпусом, сообщена с входной полостью корпуса. Пробка контактирует с внутренней поверхностью сильфона, которая сообщена с атмосферой. Давление с внешней стороны сильфона создает деформирующее его усилие, в результате чего происходит воздействие сильфона на пробку.
Усилие от воздействия сильфона направлено во встречном направлении по отношению к усилию, обусловленному давлением газа во входной полости корпуса. При разработке запорно-регулирующего клапана сильфон должен быть спроектирован таким образом, чтобы результирующая двух указанных осевых усилий, обеспечивая хорошее сопряжение упомянутого участка поверхности отверстия корпуса с периферийной поверхностью пробки, не препятствовала свободному повороту пробки.
Недостатком описанного запорно-регулирующего клапана являются громоздкость и конструктивная сложность, препятствующие ее реализации в малогабаритных конструктивных элементах, таких как пусковые устройства ручных пневматических шлифовальных машин.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции запорно-регулирующего клапана и расширение области его возможного применения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении компактности запорно-регулирующего клапана и упрощении его конструкции.
Указанный результат достигается тем, что в запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с отверстием, участок поверхности которого выполнен в форме усеченного конуса, входной полостью, выходной полостью и пробку, выполненную в виде втулки с внутренней полостью и периферийной поверхностью, сопряженной с указанным участком поверхности отверстия корпуса, причем внутренняя полость пробки сообщена с входной полостью корпуса, упомянутое отверстие сообщено с выходной полостью корпуса сквозными окнами, выполненными в корпусе, а пробка прорезана сквозными окнами, расположенными напротив сквозных окон корпуса, и установлена с возможностью поворота относительно оси вращения упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон корпуса и сквозных окон пробки, внутренняя полость пробки выполнена в виде сквозной осевой расточки, а корпус содержит стенку, установленную со стороны меньшего основания упомянутого усеченного конуса с зазором по отношению к пробке.
На фиг. 1 приведен продольный разрез запорно-регулирующего клапана в положении «открыто»; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - продольный разрез запорно-регулирующего клапана в положении «закрыто»; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 4.
Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с отверстием 2, входной полостью 3, выходной полостью 4 и пробку 5. Участок поверхности 6 отверстия 2 корпуса 1 выполнен в форме усеченного конуса. Пробка 5 выполнена в виде втулки с внутренней полостью 7 и периферийной поверхностью 8, сопряженной с указанным участком поверхности 6 отверстия 2 корпуса 1. Внутренняя полость 7 пробки 5 сообщена с входной полостью 3 корпуса 1. Отверстие 2 корпуса 1 сообщено с выходной полостью 4 корпуса 1 сквозными окнами 9, выполненными в корпусе 1. Пробка 5 прорезана сквозными окнами 10, расположенными напротив сквозных окон 9 корпуса 1 и установлена с возможностью поворота относительно оси вращения 11 упомянутого усеченного конуса для взаимного перекрытия сквозных окон 9 корпуса 1 и сквозных окон 10 пробки 5.
Внутренняя полость 7 пробки 5 выполнена в виде осевой расточки. Корпус 1 содержит стенку 12, установленную со стороны меньшего основания 13 упомянутого усеченного конуса с зазором по отношению к пробке 5; указанный зазор обозначен «L».
В описываемой конструкции входная полость 3 корпуса 1 размещена со стороны большего основания 14 упомянутого усеченного конуса. Устройство управления, осуществляющее поворот пробки 5 относительно оси вращения 11 упомянутого усеченного конуса, выполнено в виде рычага 15, прикрепленного к пробке 5 и установленного в сегментно-расположенной проточке 16 корпуса 1. Входная полость 3 корпуса 1 сообщена с входным участком трубопроводной системы 17. Выходная полость 4 корпуса 1 сообщена с выходным участком трубопроводной системы 18.
Пробка 5 ограничена двумя плоскостями, перпендикулярными упомянутой оси вращения 11, в которых расположены ее торцевые сечения. Со стороны меньшего основания 13 упомянутого усеченного конуса расположено меньшее торцевое сечение 19 пробки 5. Площадь торцевого сечения 19 эквивалентна площади круга, ограниченного линией пересечения плоскости расположения указанного торцевого сечения и периферийной поверхности 8 пробки 5. Со стороны большего основания 14 упомянутого усеченного конуса расположено большее торцевое сечение 20 пробки 5. Площадь торцевого сечения 20 эквивалентна площади круга, ограниченного линией пересечения плоскости расположения указанного торцевого сечения и периферийной поверхности 8 пробки 5.
Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом. Газ, перемещаясь вдоль оси вращения 11 упомянутого усеченного конуса, поступает из входного участка трубопроводной системы 17 во входную полость 3 корпуса 1, размещенную со стороны большего основания 14 упомянутого усеченного конуса. Далее газ проходит во внутреннюю полость 7 пробки 5, где меняет свое направление с осевого на радиальное. Затем газ поступает в выходную полость 4 корпуса 1 через сквозные окна 10 пробки 5 и сквозные окна 9 корпуса 1. Далее газ продолжает движение по выходному участку трубопроводной системы 18. Стенка 12, установленная со стороны меньшего основания 13 упомянутого усеченного конуса с зазором «L» по отношению к пробке 5, отделяет газ, проходящий через запорно-регулирующий клапан, от области низкого давления.
В положении «открыто» газ проходит через сквозные окна 9 корпуса 1 и сквозные окна 10 пробки 5 беспрепятственно. Регулирование расхода газа через запорно-регулирующий клапан производится поворотом пробки 5 относительно оси вращения 11 упомянутого усеченного конуса. Поворот осуществляется перемещением рычага 15 в пределах сегментно-расположенной проточки 16. При повороте пробки 5 происходит взаимное перекрытие сквозных окон 9 корпуса 1 и сквозных окон 10 пробки 5, приводящее к уменьшению сечения для прохода газа через запорно-регулирующий клапан вплоть до полного перекрытия, которое обозначено как положение «закрыто». Сопряжение периферийной поверхности 8 пробки 5 с упомянутым участком поверхности 6 отверстия 2 корпуса 1 препятствует утечке газа в направлении выходной полости 4 корпуса 1 мимо внутренней полости 7 пробки 5.
Пробка 5 находится под постоянным воздействием осевого усилия, обусловленного разностью площадей большего торцевого сечения 20 пробки 5 и меньшего торцевого сечения 19 пробки 5. Это усилие прижимает пробку 5 к упомянутому участку поверхности 6 отверстия 2 корпуса 1. При разработке запорно-регулирующего клапана пробка 5 должна быть спроектирована таким образом, чтобы указанное осевое усилие, обеспечивая хорошее сопряжение упомянутого участка поверхности 6 отверстия 2 корпуса 1 с периферийной поверхностью 8 пробки 5, не препятствовало свободному повороту пробки 5.
В заявляемом запорно-регулирующем клапане ось вращения пробки 5 совпадает с направлением движения транспортируемой текучей среды во входной полости корпуса 3, что обеспечивает ее компактность. Описанная конструкция компактнее и конструктивно проще прототипа, благодаря отсутствию сильфона и канала, сообщающего его наружную поверхность с входной полостью корпуса.
Благодаря своим конструктивным преимуществам заявляемая конструкция может найти широкое применение в малогабаритных конструктивных элементах, таких как пусковые устройства ручных пневматических шлифовальных машин.
Запорно-регулирующий клапан компактен и прост. Его основные элементы могут изготавливаться на обычном обрабатывающем оборудовании.