ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ЗАПОРНОГО УСТРОЙСТВА
ACTUATOR OF LOCKING DEVICE

Заявляемое изобретение относится к области управления расходом текучей среды, а именно к конструкции исполнительных механизмов быстродействующих запорных устройств, например, в атомной и тепловой энергетике, газовой и нефтехимической промышленности.
Быстродействующие запорные устройства (ЗУ), относящиеся к отсечной трубопроводной арматуре, бывают или обычно закрытые (ОЗ), или обычно открытые (ОО).
Известен исполнительный механизм запорного устройства, содержащий параллельные плиты с установленными между ними шпильками, вставленными в отверстия, выполненные в плитах, пневматический привод в виде цилиндра с поршнем на штоке, жесткую тягу затвора запорного устройства, пружины и пневматический распределитель (см. Энергетическая арматура для АЭС, с.8-11. Каталог изделий ОАО "Знамя труда", г.Санкт-Петербург, 2002).
К недостаткам этого исполнительного механизма (ИМ) следует отнести: конструкционное исполнение, предназначенное только для конкретных площадей проходного сечения трубопровода и величин давления теплоносителя, значительные габаритные размеры ИМ (например, высота ИМ в 15-20 раз превосходит номинальный диаметр запорного устройства при ходе его затвора всего 0,3-0,4 от номинального диаметра), низкую ремонтопригодность, непригодность конструкции описанного ИМ обычно открытого ЗУ для обычно закрытого ЗУ.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому исполнительному механизму является исполнительный механизм запорного устройства (Патент РФ №2273779, дата публикации 2006.04.10) для быстрого закрытия трубопроводов в аварийных ситуациях, содержащий параллельные плиты с установленными между ними шпильками, вставленными в отверстия в плитах, одна из плит установлена с возможностью перемещения и к ней прикреплена жесткая тяга затвора запорного устройства, упругие элементы - пружины, пневматический распределитель, газовый коллектор, который соединен с пневматическим распределителем, пневматические приводы, выполненные в виде цилиндра с осевым отверстием в одном из оснований для прохода штока поршня и снабженные элементом регулирования стравливания воздуха и устройством регулирования натяжения упругого элемента.
К основным недостаткам прототипа следует отнести:
- недостаточно высокую надежность, так как он является многозвенной стержневой конструкцией, содержащей корпус, состоящий из плит связанных между собой стойками резьбовым соединением (то есть соединением, позволяющим движение - «шарниром»), по периметру корпуса в пазах «шарнирно» закрепляются до полутора десятков силовых пружинных модулей (упругих элементов), а по внутреннему периметру корпуса расположены до десятка пневматических модулей (пневматических приводов), связанных «шарнирно» с уравнительным механизмом в виде подвижной плиты, выравнивающим и суммирующим усилия от силовых пружинных и пневматических модулей, и передающих его штоку задвижки таким образом, что во время работы конструкция допускает перекос, который будет различным в зависимости от количества примененных силовых элементов и их взаимного расположения. Перекос конструкции приводит к дополнительным потерям на трение, что существенно сказывается на величине результирующего усилия, развиваемого приводом, и вносит элемент неустойчивости в работу привода, увеличивая вероятность отказа, так как величина сил трения зависит от условий окружающей среды, влажности, температуры и ее состава. Кроме того, наличие большого количества силовых элементов в составе привода приводит не к увеличению надежности привода, а к ее уменьшению, так как выход из строя любого и них приводит к нарушению равномерности приложения нагрузки к уравнительному механизму и к дополнительному перекосу конструкции, и как следствие, к отказу срабатывания;
- высокую сложность конструктивного решения, выражающуюся в большом количестве примененных деталей и сборочных узлов, что приводит к росту себестоимости конструкции и неоправданному увеличению габаритных размеров и веса исполнительного механизма;
- сложность реализации требования п.5.4.4 документа: «Трубопроводная арматура для АС. Общие технические требования», которое предполагает установку на устройство ручного привода и состоит в том, что тяговое усилие снимается с центральной части подвижной плиты и закрыто для установки предполагаемых элементов ручного привода концентрически расположенными рядами пневматических модулей, а следом за ними и пружинных модулей;
- отсутствие плавности настройки ИМ по тяговому усилию, которое меняется дискретно путем изменения количества силовых модулей в составе ИМ, по отношению к приводимому в действие запорному устройству, что может привести к его поломке или отказу срабатывания.
Задачей настоящего изобретения является создание исполнительного механизма запорного устройства, позволяющего получить технический результат, заключающийся в увеличении надежности, упрощении конструкции, уменьшении габаритных размеров, веса и себестоимости ИМ, наличии возможности осуществить привязку ручного привода для управления запорным устройством без усложнения конструкции ИМ, плавности регулирования тягового усилия для точной привязки к приводимому запорному устройству.
Поставленная задача решается тем, что исполнительный механизм запорного устройства содержит параллельные плиты с установленными между ними шпильками, вставленными в отверстия в плитах, одна из плит установлена с возможностью перемещения и к ней прикреплена жесткая тяга затвора запорного устройства, упругий элемент, пневматический распределитель, газовый коллектор, который соединен с пневматическим распределителем, пневматический привод, выполненный в виде цилиндра с осевым отверстием в одном из оснований для прохода штока поршня и снабженный элементом регулирования стравливания воздуха и устройством регулирования натяжения упругого элемента, причем пневматический привод выполнен с полой стенкой и с осевым отверстием в другом основании, упругий элемент опирается на поршень и одно из оснований, при этом верхнее основание является верхней плитой исполнительного механизма; введен редукционный клапан, расположенный, по крайней мере, на входе в пневматический привод и соединенный одним из выходных каналов с одним из оснований, через которое каналом связан с рабочей полостью пневматического привода; другой перекрыт; а входным каналом сообщается через газовый коллектор с пневматическим распределителем, при этом каждое основание имеет дополнительное сквозное отверстие, связанное с рабочей полостью пневматического привода и заканчивающееся элементом регулирования стравливания воздуха, если основание служит опорой упругого элемента, в противном случае перекрыто.
Вышеотмеченные технические результаты достигаются также благодаря тому, что ИМ содержит редукционный клапан, который позволяет менять давление газа, поступающего в рабочую полость пневматического привода для изменения тягового усилия ИМ для приведения ИМ в состояние готовности, и регулируемую по усилию пружину для изменения тягового усилия ИМ для перевода ИМ в защитное состояние, что может быть выполнено без изменения состава ИМ или для глубокой регулировки с заменой пружины. Таким образом, достигается возможность использования ИМ на различные запорные устройства, предназначенные для работы с разными площадями проходного сечения и разными рабочими давлениями рабочей среды, а также обеспечивает плавность и точность настройки тягового усилия ИМ по отношению к приводимой в действие арматуре.
Достижение технических результатов обеспечивается также тем, что ИМ содержит один пневматический привод, который объединяет в себе пневматический привод, газовый коллектор, ресивер и корпус ИМ, на котором монтируются все остальные детали и узлы ИМ, тем самым существенно упрощается конструкция привода, уменьшается количество и номенклатура примененных в приводе узлов и деталей, габаритные размеры, вес.
Достижение технических результатов возникает благодаря тому, что стоимость нескольких пружинных модулей многократно превышает стоимость одной пружины, а группа пневматических цилиндров всегда стоит дороже одного пневматического цилиндра, что и приводит к снижению себестоимости ИМ.
Достижение технических результатов возможно потому, что пневматический привод имеет два выхода штока поршня: на верхнее и нижнее основания; при этом часть штока, проходящая через нижнее основание служит для соединения с жесткой тягой запорного устройства; а та часть штока, которая проходит через верхнее основание может быть использована для присоединения ручного привода и это позволит удовлетворить требованиям п.5.4.4 документа: «Трубопроводная арматура для АС. Общие технические требования».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг.1 - продольный разрез ИМ с запорным устройством (ЗУ), обычно закрытого (ОЗ) после срабатывания, на фиг.2 - продольный разрез того же ИМ с ЗУ ОЗ при нормальной эксплуатации, на фиг.3 - ИМ с показанными на нем местами расположения поперечных сечений C-C и D-D; на фиг.4 - сечение C-C, на фиг.5 - сечение D-D, на фиг.6 продольный разрез ИМ с ЗУ (ОО), обычно открытого после срабатывания; на фиг.7 - продольный разрез ИМ с ЗУ ОО при нормальной эксплуатации.
Исполнительный механизм запорного устройства (фиг.1), содержит параллельные плиты, пневматический привод 1, редукционный клапан 2, пневматический распределитель 3 и соединенный с ним газовый коллектор 4.
Плиты состоят из нижней плиты 5, подвижной средней плиты (соединительный узел между приводом и арматурой) 6, верхней плиты 7 с установленными между ними шпильками 8, вставленными в отверстия в плитах. К средней плите 6 прикреплена жесткая тяга 10 затвора 9 запорного устройства 11.
Газовый коллектор 4 как совокупность каналов выполнен в материале верхней плиты или в виде отдельного блока прикреплен к ней и входит в состав пневматического привода 1. Канал 12 газового коллектора связан с входом, а канал 13 - с выходом пневматического распределителя 3, канал 14 (линия подвода газа) связывает пневматический распределитель 3 с редукционным клапаном 2. Пневматический распределитель 3 также включает сбросные отверстия 15.
Пневматический привод 1 выполнен в виде цилиндра 16 с полостью 17 внутри стенки (ресивером) с верхним 7 и нижним 18 основаниями, связанными каналом 19 в виде трубки внутри полой стенки пневматического цилиндра 16, с осевыми отверстиями в основаниях 7 и 18 для прохода штока 20 поршня 21, причем верхнее основание 7 является верхней плитой исполнительного механизма. Вокруг штока 20 установлен регулируемый по усилию упругий элемент - пружина 22, который опирается на поршень 21 и одно из оснований. Регулирование тягового усилия производится изменением усилия поджатая пружины 22 перемещением устройства регулирования натяжения пружины - регулировочной втулки 23 относительно поршня 21. Привод 1 снабжен демпфером 24 между поршнем 21 и основанием для уменьшения ударного воздействия подвижных частей ИМ. Каждое основание имеет сквозное отверстие, верхнее - отверстие 25, нижнее - отверстие 26, связанные с рабочей полостью пневматического привода и заканчивающиеся элементом регулирования стравливания воздуха - штуцером 27, если основание служит опорой упругого элемента 22, в противном случае отверстие перекрыто. Для заполнения ресивера рабочим газом на входе в пространство внутри стенки цилиндра расположен обратный клапан 28.
Редукционный клапан 2 (фиг.4, 5), регулирующий давление газа в рабочей полости, расположен на входе в пневматический привод 1 и содержит входной канал 4, выходную полость 29, выходные каналы 30, 31. Выходной канал 30 выполнен в верхнем основании 7, а канал 31 - в нижнем 18, через которые каналом 19 связан с рабочей полостью пневматического привода. Входной канал 4 сообщается через канал 14 газового коллектора 4 с пневматическим распределителем 3.
Наличие в предлагаемом ИМ редукционного клапана 2, пружины 22, регулировочной втулки 23 и съемной нижней плиты 5 дает возможность устанавливать ИМ на разные ЗУ трубопроводов. Редукционный клапан 2 позволяет регулировать давление газа в рабочей полости пневматического привода и тем самым изменять тяговое усилие ИМ в соответствии с требуемым для данного типа ЗУ для осуществления перевода ИМ в состояние нормальной эксплуатации. При этом регулирование тягового усилия аварийного срабатывания ИМ в соответствии с требуемым для данного ЗУ производится изменением усилия поджатия пружины 22 перемещением регулировочной втулки 23 относительно поршня 21. Возможность съема нижней плиты позволяет привести в соответствие ее геометрические размеры с посадочной площадкой под установку ИМ для данного ЗУ. Таким образом, становится возможным установить один и тот же ИМ на различные по своим параметрам ЗУ без изменения его состава, если же необходимо расширить диапазон разброса параметров приводимых ЗУ, можно заменить пружину 22 на другую, обеспечивающую более глубокое регулирование тягового усилия ИМ. При этом адаптация ИМ к ЗУ осуществляется плавно и точно, что повышает надежность работы ЗУ, снижает вероятность его выхода из строя.
Поскольку для запорных устройств ОЗ и ОО требуется противоположное направление движения затвора 9 при аварии, пружину 22 данного ИМ устанавливают между нижним основанием 18 и поршнем 21 или верхним основанием 7 и поршнем 21 пневматического привода. В первом случае пружина 22 быстро перемещает тягу затвора 9 и открывает проходное сечение запорного устройства 11, а во втором случае быстро закрывает его.
Газовый коллектор 4 объединяет своими каналами пневматический привод, пневматический распределитель 3 и редукционный клапан 2, к которому в теле газового коллектора может быть несколько линий для подвода 14 и отвода газа.
Наличие по меньшей мере двух каналов питания пневматического привода газом высокого давления через верхнее основание 7 по каналу 30, а через нижнее 18 по каналу 19 и 31 позволяет переходить от ЗУ ОЗ к ЗУ ОО простым переворачиванием пружины 22 и поршня 21 в пневматическом приводе 1 и перекрывая и открывая соответствующие каналы в верхнем 7 и нижнем 18 основаниях пневматического привода, для перехода к ЗУ ОЗ необходимо открыть канал подачи газа 30 в верхнем основании и отверстие стравливания газа 26 в нижнем основании и перекрыть канал стравливания газа 25 в верхнем основании и канал подачи газа 31 в нижнем основании, а для перехода к ЗУ ОО сделать наоборот.
При обычно закрытом ЗУ в исходном положении проходное сечение ЗУ 11 и трубопровода, на котором оно установлено, полностью закрыто, а при аварийном срабатывании пружина 22 через соединительный узел 6 и жесткую тягу 10 перемещает затвор 9 и открывает проходное сечение ЗУ 11 и трубопровода.
При обычно открытом ЗУ в исходном положении проходное сечение ЗУ 11 и трубопровода, на котором оно установлено, полностью открыто, а при аварийном срабатывании пружина 22 перемещает затвор 9, перекрывая канал трубопровода для прохода жидкости.
В аварийной ситуации необходимо направить излишнее количество теплоносителя в систему (комплекс баков) аварийного охлаждения или направить жидкий поглотитель в активную зону. Здесь нужны быстродействующие обычно закрытые запорные устройства.
ИМ ЗУ ОЗ работает следующим образом. Для взвода (закрывания) затвора 9 запорного устройства 11 и тем самым приведения ЗУ в обычно закрытое состояние, из ресивера 17 через канал 12 подают газ на вход пневмораспределителя 3, из которого подают газ под давлением через канал 13 по каналу 14 в газовый коллектор 4 на вход редукционного клапана 2, а из его выходной полости 29 направляют через канал 30 в верхнем основании 7 в рабочую полость цилиндра 16 над поршнем 21 пневматического привода. При этом дросселирующее отверстие 26 в нижнем основании 18 открыто, а канал 31 в нижнем основании 18 и сбросные отверстия 15 пневматического распределителя закрыты. Газ в рабочей полости давит на верхнее основание 7 цилиндра 16 и на поршень 21, в результате чего поршень 21 перемещается. Вместе с ним перемещается шток 20 и прикрепленная к нему средняя плита - соединительный узел между приводом и арматурой 6, а также и тяга 10 затвора 9 запорного устройства 11. Одновременно с этим поршень 21 сжимает пружину 22. Когда поршень 21 приходит в свое крайнее положение, затвор 9 запорного устройства 11 полностью перекрывает проходное сечение запорного устройства трубопровода для прохода теплоносителя. В процессе перемещения поршня 21 в свое крайнее положение, газ из нерабочей полости цилиндра 16 выходит в атмосферу через отверстие 26 в нижнем основании 18 - во избежание создания противодействующей силы по мере сжатия газа под поршнем.
При аварийной ситуации пневматический распределитель 3 прекращает подачу газа в газовый коллектор 4 и открывает сбросные отверстия 15. Газ из цилиндра 16 поступает через отверстия 30 верхнего основания 7 в полость 29 редукционного клапана 2 и в газовый коллектор 4 с каналом 14 и 13, а затем в пневматический распределитель 3, и через открытые клапана 15 сброса газа удаляется в атмосферу. Пружина 22, расположенная между верхним основанием 7 и поршнем 21, разжимается и, оказывая давление, быстро перемещает поршень 21, шток 20, соединительный узел 6 и прикрепленную к нему жесткую тягу 10 затвора 9 запорного устройства 11, и через заданное (требуемое) время приходит в крайнее положение. В результате затвор 9 открывает проходное сечение запорного устройства 11 трубопровода, например, для аварийного отвода теплоносителя.
Ударное воздействие быстродвижущихся подвижных частей ИМ можно уменьшить с помощью демпфера 24, который, кроме того, компенсирует посадку затвора 9 на седло запорного устройства 11 и упор поршня 21 в основание цилиндра 16.
ИМ ЗУ ОО работает следующим образом. Для взвода (открывания) затвора 9 запорного устройства 11 и тем самым приведения ЗУ в обычно открытое состояние, из ресивера 17 через канал 12 подают газ на вход пневмораспределителя 3, из которого подают газ под давлением через канал 13 по каналу 14 в газовый коллектор 4 на вход в редукционный клапан 2, а из его выходной полости 29 направляют через канал 19, в канал 31 в нижнем основании 18 в рабочую полость цилиндра 16 под поршнем 21 пневматического привода. При этом дросселирующее отверстие 25 в верхнем основании 7 открыто, а канал 30 в верхнем основании 7 и сбросные отверстия 15 клапанов пневматического распределителя закрыты. Газ в рабочей полости давит на нижнее основание 18 цилиндра 16 и на поршень 21, в результате чего поршень 21 перемещается. Вместе с ним перемещается шток 20 и прикрепленная к нему средняя плита - соединительный узел между приводом и арматурой 6, а также и тяга 10 затвора 9 запорного устройства 11. Одновременно с этим поршень 21 сжимает пружину 22. Когда поршень 21 приходит в свое крайнее положение, затвор 9 запорного устройства 11 полностью открывает проходное сечение запорного устройства трубопровода для прохода теплоносителя. В процессе перемещения поршня 21 в свое крайнее положение газ из нерабочей полости цилиндра 16 выходит в атмосферу через отверстие 25 в верхнем основании 7 - во избежание создания противодействующей силы по мере сжатия газа над поршнем.
При аварийной ситуации (например, разрыве трубопровода и начинающейся быстрой потере теплоносителя, в частности, из реактора) пневматический распределитель 3 прекращает подачу газа в газовый коллектор 4 и открывает клапаны сброса 15 газа. Газ из цилиндра 16 поступает через отверстия 31 основания 18 и канал 19 в полость 29 редукционного клапана 2 и в газовый коллектор 4 с каналами 14 и 13, а затем в пневматический распределитель 3, и через открытые клапана 15 сброса газа удаляется в атмосферу. Пружина 22, расположенная между нижним основанием 18 и поршнем 21, разжимается и, оказывая давление, быстро перемещает поршень 21, шток 20, соединительный узел 6 и прикрепленную к нему жесткую тягу 10 затвора 9 запорного устройства 11, и через заданное (требуемое) время приходит в крайнее положение. В результате затвор 9 закрывает проходное сечение запорного устройства 11 трубопровода, после чего, например, реактор перестает терять охлаждающую жидкость.
Для снижения риска выхода из строя ИМ и повышения его надежности ИМ можно изготавливать с двумя и более пневматическими распределителями.
В отличие от прототипа, настройка которого по тяговому усилию при установке на запорное устройство не допускает плавной регулировки, а производится дискретным образом путем изменения набора пружинных и пневматических модулей, предлагаемый ИМ настраивается в строгом соответствии с силовыми характеристиками ЗУ, полученными расчетным или экспериментальным путем, благодаря возможности плавно регулировать тяговое усилие, изменяя настройку редукционного клапана 2 и усилие поджатия пружины 22 изменением положения регулировочной втулки 23 относительно поршня 21.
Сборка ИМ для обычно закрытого ЗУ может быть проведена следующим образом. На цилиндр 16 устанавливается верхнее основание 7 с закрепленными на ней пневматическими распределителями 3, затем в полость цилиндра 16 вводится поршень в сборе со штоком 20, причем регулировочная втулка 23 в составе поршня 21 должна размещаться со стороны верхнего основания 7, после чего в полость цилиндра 16 вставляется пружина 22 и запирается нижним основанием 18. На основание 18 устанавливаются шпильки 8 и плита 5, к которой крепится запорное устройство 11, жесткая тяга 10 которого соединяется с соединительным узлом (подвижной средней плитой) 6. Таким образом, сборка значительно упрощена по отношению к сборке прототипа потому, что сборке подлежит значительно меньшее количество конструктивных элементов.
Переход ИМ от ЗУ ОЗ к ЗУ ОО может производиться переустановкой поршня 21 со штоком 20 и пружины 22 внутри цилиндра 16 и перекрытием канала 30 в верхнем основании 7 и отверстия 26 в нижнем основании 18 и; открытием канала 31 в нижнем основании 18 и отверстия 25 в верхней плите 7. Для этого с ИМ демонтируются нижняя плита 5, шпильки 8, соединительный узел 6, основание цилиндра 18 и вынимается пружина 22 вместе с поршнем 21. В полость цилиндра первой устанавливается пружина 22, поршень 21 со штоком 20 устанавливаются таким образом, чтобы регулировочная втулка 23 была расположена со стороны, противоположной верхнему основанию 7, и закрывается нижним основанием 18, на шток 21 поршня устанавливается соединительный узел 6, а затем вворачиваются шпильки и на них ставится плита 5. Перекрытие одних каналов и отверстий 30 и 26, открытие других 31 и 25 производится путем установки заглушек или же переключением распределительного устройства.
В частном случае выполнения исполнительного механизма запорного устройства редукционный клапан расположен, по крайней мере, на входе в пневматический распределитель и соединен через него одним из выходных каналов с одним из оснований, через которое каналом связан с рабочей полостью пневматического привода, другой выходной канал на другом основании в это время перекрыт. Входной канал редукционного клапана сообщается с ресивером, при этом, если основание служит опорой пружины, то имеет сквозное отверстие, связанное с рабочей полостью пневматического привода и заканчивающееся штуцером.
Таким образом, представленный исполнительный механизм запорной арматуры, сохраняя все преимущества прототипа, дает возможность значительно упростить конструкцию ИМ, повысить надежность работы запорного устройства, уменьшить габариты и вес, снизить стоимость.