ШАРОВОЙ КРАН-КЛАПАН
BALL VALVE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трубопроводной запорно-регулирующей арматуре преимущественно для средних и больших давлений и температур и с контактом металл-металл.
Широко известны пробковые шаровые краны с плавающим шаром или шаром на цапфах, с мягкими или металлическими, подпружиненными седлами, а также сегментный шаровой кран, где запорный орган имеет форму части шара в виде шарового сегмента. При этом часть запорного шарового органа обычно усечена, то есть понятие «шаровой» больше применимо к шаровой камере, в которой вращается запорный орган.
Открытие/закрытие прохода осуществляется за четверть оборота запорного органа, постоянно прижатого к седлам большой силой упругости, к которой в закрытом состоянии добавляется сила давления среды.
В этом едином движении поворота фактически происходит выполнении двух физически различных процессов: изменение сечения прохода и контактное запирание седла запорным органом при постоянно действующей силе трения скольжения запорного органа по седлу. То же в полной мере относится к задвижкам. Для мягкого седла это приводит к потере упругости, старению сжатого материала, сцеплению и разрушению. Для металлического контакта, особенно для средних и больших давлений и температур, эта внушительная сила трения приводит к непредсказуемому появлению царапин, задиров, трещин и адгезии, а значит к значительному уменьшению порога рабочих давлений и температур, ресурса, надежности и безопасности, увеличенному моменту управления и мощности привода.
В отличие от шаровых кранов и задвижек, в вентиле единое движение запорного органа к седлу и силовой контакт происходят без трения скольжения и ортогонально к плоскости седла. Поэтому национальные и международные стандарты устанавливают уровень предельных контактных напряжений для шаровых кранов и задвижек до 11 раз меньше, чем для вентиля.
Известны попытки создания арматуры с двумя раздельными движениями для фазы изменения сечения и фазы запирания в виде свободного поворота шарового запорного органа и его малого перемещения контакта с седлом. Так в клапане типа Orbit фирмы Cameron (патент US 5263685) винтовой шпиндель с помощью винтового паза опускает в запорный шар эксцентриковый шток, который после поворота шара поджимает его наклонно к седлу. Основные недостатки: очень сложный, дорогой, ненадежный пространственный механизм с множеством преобразований вращательных, линейных и винтовых движений. Наклонное действие не соответствует вентильному процессу герметизации с параллельным контактным сдвигом запорного органа ортогонально к плоскости седла. Те же недостатки относятся к другим подобным конструктивным решениям.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является шаровой кран по патенту RU 2158866 в виде пространственного механизма, функционально аналогичного двухфазному поворотно-наклонному действию крана Orbit. В этой конструкции опоры шара выполнены сферическими, причем верхняя опора установлена в эксцентриковой втулке. В процессе открытия или закрытия шпиндель управления крана попеременно связывается механизмом связи с верхней опорой запорного органа либо непосредственно, либо через эксцентриковую втулку. Для закрытия крана поворот шпинделя с передачей усилия непосредственно на опору приводит к бесконтактному повороту запорного органа на 90° и подключению механизмом связи эксцентриковой втулки, а при втором повороте на 90° с передачей усилия на опору через эксцентриковую втулку происходит наклон верхней опоры с шаром к седлу. Открытие в обратном порядке.
Положительным является отсутствие многочисленных преобразований поворота шпинделя в винтовые и линейные перемещения, разгрузка давления среды на опоры запорного органа в фазе поворота и автоматическое усиление эксцентриком момента управления на фазе наклона. Но сложность пространственного механизма и применение наклона вместо параллельного сдвига ортогонально к плоскости седла остаются главными принципиальными недостатками.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и обеспечение вентильных условий контактного уплотнения, а значит тем самым увеличение пороговых значений рабочих давлений и температур, повышение срока службы, надежности и безопасности.
Техническим результатом предлагаемого решения является плоский механизм двухфазного движения запорного органа и контакт запорного органа его параллельным сдвигом ортогонально к плоскости седла.
Технический результат достигается тем, что шаровой кран-клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в котором расположены запорный орган с проходным каналом в виде шара или шарового сегмента с нижней опорой вращения и с верхней опорой вращения, установленной в эксцентриковой втулке, упругие или жесткие подпружиненные седла с уплотнением, ограничители угла поворота запорного органа и втулки, причем нижняя опора вращения также установлена в эксцентриковой втулке, а втулки жестко соединены между собой в одно целое элементом связи снаружи или внутри корпуса.
На фиг. 1, 2, 3 изображены общий вид, вид сбоку и вид сверху варианта клапана в открытом состоянии с элементом связи снаружи корпуса. На фиг. 4, 5, 6 показаны последовательные положения деталей на виде фиг. 3 этого варианта клапана при осуществлении операции закрытия.
На фиг. 7, 8, 9 изображены общий вид, вид сбоку и вид снизу варианта клапана в открытом состоянии с элементом связи внутри корпуса. На фиг. 10, 11, 12 показаны последовательные положения деталей на виде фиг. 9 этого варианта клапана при осуществлении операции закрытия.
Шаровой клапан содержит корпус 1 с входным и выходным патрубками 2 с каналами прохода среды, запорный орган 3 с возможностью поворота, выполненный с каналом для прохода среды. Запорный орган 3 размещен в нижней 4 и верхней 5 подшипниковых опорах, которые в свою очередь установлены в верхней 6 и нижней 7 эксцентриковых втулках с возможностью поворота на подшипниках в корпусе 1. В корпусе установлены упругие или металлические подпружиненные седла 8 с уплотнениями. Углы поворота запорного органа и поворота втулок ограничены упорами (не показаны).
В варианте по п. 1 втулки 6 и 7 соединены в одно целое элементом связи 9, проходящим снаружи корпуса 1, и служащим для передачи момента вращения на нижнюю втулку 7. На верхней опоре 5 установлена рукоять управления 10. Верхняя опора 5 и верхняя втулка 6 уплотнены, (не показано).
Клапан в этом варианте работает следующим образом.
В положении «открыто» фиг. 1, 2, 3, 4 запорный орган 3 отжат от седла 8 эксцентриковыми втулками 6 и 7 в крайнее правое положение. Везде далее для понимания на схемах пунктиром показаны невидимые окружности опор и втулок. Возможность поворота запорного органа 3 из положения «открыто» на фиг. 3, 4 против часовой стрелки ограничена корпусным упором (не показан).
Поворачиваем по часовой стрелке запорный орган 3 рукояткой 10 на 90° в положение неполного закрытия фиг. 5. до второго корпусного упора (не показан), когда в этом положении контактные поверхности седла 8 и запорного органа 3 эквидистантны. Далее поворачиваем за элемент связи 9 обе втулки 6 и 7 по часовой стрелке на 90°. Втулки перемещают запорный орган 3 параллельно и ортогонально к упругому седлу 8, как это происходит в аналогичном процессе уплотнения в вентиле. Фиг. 6 соответствует положению «закрыто». (При этом сдвиге запорный орган 3 скользит по упору как ползун.)
Открытие клапана из положения «закрыто» производится в обратном порядке: вначале отжимается от седла 8 запорный орган 3 поворотом элемента связи 9 против часовой стрелки на 90°, а затем производится поворот рукояткой 10 органа 3 против часовой стрелки на 90° до упора в корпусе.
В результате достигается технический результат: работает плоский механизм двухфазного движения запорного органа с фазой его поворота и фазой его контактного параллельного сдвига ортогонально к плоскости седла.
Отметим, что в варианте по п. 1, когда втулки 6 и 7 соединены в одно целое проходящим внутри корпуса 1 элементом связи 9, этот элемент 9 может быть выполнен в форме стержня или пластины в целях снижения трудоемкости и металлоемкости. Технический результат тот же.
Таким образом, рассматриваемая конструкция функционально представляет собой плоский кривошипно-ползунный механизм переменной структуры, где фазе поворота запорного органа 3 соответствует поворот всего механизма, как единого целого, а фазе сдвига - обычный поворот кривошипа (втулки) и сдвиг шатуна (запорного органа) как ползуна по корпусному упору угла поворота шатуна. Параметры этого механизма (эксцентриситет, фаза и угол поворота кривошипа, смещение относительно центра шаровой камеры) а также возможное смещение седла и угла его наклона выбираются конструктором для обеспечения технического результата.
В варианте по п. 1, но с наружным элементом связи 9, аналогично работает клапан, в котором запорный орган 3 представляет собой часть шара в виде известной формы шарового сегмента, применяемой в шаровых кранах для регулирования среды. Технический результат очевидно тот же.
В варианте по п. 2 втулки 6 и 7 соединены в одно целое элементом связи в форме шарового сегмента 11, проходящим уже внутри корпуса 1. (фиг. 7, 8, 9, 10, 11, 12). В данном варианте запорный орган 3 также имеет форму шарового сегмента. Сегмент 11 может поворачиваться относительно сегмента 3 от оппозитного положения на угол до 90° по часовой стрелке. На верхней втулке 6 установлена рукоятка 12. Клапан в варианте работает аналогично рассмотренному выше варианту шарового клапана с внешним элементом связи 9, но с приложением усилия поворота к рукоятке 12. Технический результат тот же.
Наконец во всех рассмотренных вариантах на запорном органе 3 может быть выполнен поясок 13 сферической, конусной или плоской формы, повышенной чистоты поверхности, с наплавкой или специальным покрытием. Это значительно уменьшает трудоемкость изготовления и улучшает качество уплотнения. Технический результат тот же.
Работа рассмотренных выше вариантов продемонстрирована на примере использования ручного раздельного привода запорного органа и эксцентриковых втулок. Однако имеется возможность управления шаровым клапаном одним поворотом шпинделя на 180°, когда шпиндель связан с опорами запорного органа и втулками механизмом управления по патенту RU 2158866. Механизм управления может быть также реализован непосредственно в механическом приводе.