КЛАПАН ОСЕВОГО ПОТОКА

Предполагаемая полезная модель относится к области арматуростроения, в частности к клапанам для газовых магистралей высокого давления.
Известен запорно-регулирующий клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с седлом и внутренний корпус, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженный плунжер с уплотнительными элементами, размещенными во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизмом осевого перемещения плунжера. (Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф. Гуревич и др. Атомиздат, 1978, стр. 90, рис. 4.7.)
Недостатками конструкции является большая металлоемкость и масса клапана, что вызывает необходимость использования мощных приводов. Массивность элементов, обуславливающая инерционность клапана при открывании, высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, трудности в осуществлении их плавной регулировки, ведет к снижению ресурса и герметичности клапанов. Кроме того, клапан является узкодиапазонным по регулируемым параметрам из-за наличия уплотнительных элементов на плунжере, и ненадежен в условиях пуска и останова энергетических объектов.
Известен также регулирующий клапан осевого типа, содержащий разгруженный плунжер с уплотнительными поверхностями, размещенный во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором (Описание к патенту РФ на изобретение №2267680 «Клапан осевого потока» по Кл. F16K 1/12, опубликовано 01.10.2006 г. ). На плунжере установлен металлический сильфон со складывающейся формой гофр, один конец которого герметично соединен с ним, а другой конец герметично соединен с внутренним корпусом, обеспечивая при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера по направлению к седлу против направления движения рабочей среды, при этом средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла, а внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном, площадь проходного сечения которого больше площади посадочного кольцевого зазора.
Недостатком клапана является сложность конструкции запорного органа, снабженного герметизирующим металлическим сильфоном, поддержание работоспособности которого требует дополнительного обслуживания оборудования байпасной линии. Нарушения и сбои в работе байпасной линии и сильфона приводят к недостаточной герметичности клапана, особенно при высоких давлениях регулируемой среды. Кроме того, наличие байпасной линии ведет к увеличению числа уплотнений в клапане, что снижает его надежность.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели регулирующему клапану осевого потока является регулирующий клапан, содержащий корпус с запирающим элементом в виде поршня, расположенного внутри гильзы с отверстиями, и перемещаемого реечным механизмом, при этом ведомый шток соединен с ведущим штоком реечного механизма и расположен, посредством уплотнителей, в направляющей втулке, имеющей со свободной стороны ведущего штока полость со смазкой. (Патент РФ №77007 на полезную модель «Регулирующий клапан» по Кл. F16K 3/14, опубликован 10.10.2008).
Недостатком известного клапана является необходимость использования специальной смазки для работы реечного механизма, что требует периодического обслуживания клапана для заполнения смазкой полости во втулке. При высоких температурах и в режимах высоких нагрузок смазка утрачивается и возможно образование мини-контактных «прикипаний» металла штоков к поверхности втулки. При таком характере взаимодействия любые, даже незначительные, отклонения от геометрии контактных поверхностей приводят к возникновению высоких точечных контактных напряжений при прижатии одних поверхностей к другим. Последующий взаимный сдвиг поверхностей вызывает разогрев металла до высоких температур. В этих точках поверхность одной детали «приваривается» к поверхности другой детали. Это неизбежно вызывает появление локальных вырывов металла с последующим развитием задиров и возникновению заеданий и заклиниваний механизма даже при высокой твердости взаимодействующих поверхностей. Это явление тем интенсивнее, чем выше усилия в механизме и чем выше скорость взаимного перемещения деталей, что особенно актуально в регулирующих антипомпажных клапанах, применяемых в системах транспортировки природного газа.
Для заполнения полости втулки смазкой следует отключить и разобрать клапан, что приводит к отключению трубопровода, его простоям и экономическим потерям.
Технической задачей, решаемой при создании полезной модели, является создание необслуживаемой конструкции регулирующего клапана для условий высокого давления и большого диапазона рабочих температур.
Техническим результатом, обусловленным заявляемым в качестве полезной модели усовершенствованием конструкции клапана, является долговременная надежная работа клапана без периодического возобновления смазки в реечном механизме и снижение нагрузок на приводной механизм.
Для достижения указанного технического результата в клапане, содержащем регулирующий орган, совершающий возвратно-поступательные перемещения под действием привода посредством зубчато-реечного механизма, включающего ведущий и ведомый штоки, согласно полезной модели, поверхности ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма в зоне взаимного зацепления покрыты слоем молибдена.
Покрытие поверхностей ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма в зоне косозубого зацепления слоем молибдена, обладающего свойствами твердой смазки, образует прочный слой со свойствами смазочного материала, что снижает износ элементов косозубого зацепления, исключает их «залипание», исключает задиры трущихся поверхностей и уменьшает нагрузку на приводной механизм, что особенно важно при высоких давлениях рабочей среды. Уменьшение нагрузки на привод повышает надежность срабатывания клапана.
Молибден характеризуется высокой температурой плавления, твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, анти - задирными свойствами, обуславливает защиту зубчато-реечного механизма от абразивных повреждений и выкрашивания при высоких нагрузках, и его использование на поверхностях контактирующих нагруженных деталей повышает надежность и долговечность клапана. Покрытие молибденом поверхности косозубого зацепления зубчато-реечного механизма обеспечивает возможность выполнения их из материалов, имеющих одинаковый коэффициент теплового расширения, что является важным условием для трубопроводной арматуры, работающей в условиях большого диапазона рабочих температур.
Пример выполнения заявляемого клапана осевого потока поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид клапана в разрезе.
На фиг. 2 представлен эскиз зубчато-реечного механизма в разрезе.
На фиг. 3 изображен профиль косозубого зацепления.
Клапан осевого типа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и обтекатель 4, формирующие проходной кольцевой канал 5, на выходе из которого установлена перфорированная гильза 6 с радиальными отверстиями 7, зафиксированная втулкой 8 в выходном патрубке. Внутри гильзы, с возможностью осевого перемещения, установлен поршень 9. Полость 10 поршня 9 сообщается с полостью выходного патрубка 3 посредством отверстий 11, выполненных в торце поршня, что обеспечивает выравнивание давления с обеих сторон поршня, тем самым разгружая его. Механизм перемещения поршня включает привод 12 и зубчато-реечный механизм, содержащий ведущий шток 13 и ведомый шток 14, установленные в отверстия 15 и 16 втулки 17, зафиксированной в обтекателе 4 гайкой 18. Отверстие 15, в котором установлен ведущий шток 13, и отверстие 16, в котором установлен ведомый шток 14, выполнены с высокой точностью, причем отверстие 15 соосно отверстию 19, выполненному в корпусе 1.
Ведущий шток 13 выполнен с косыми зубьями 20, которые взаимодействуют с аналогичными косыми зубьями 21, выполненными на ведомом штоке 14. Зубья 20 и 21 штоков 13 и 14 соответственно образуют косозубое зацепление, которое обеспечивает перемещение ведомого штока 14 вправо (на фиг. 1) при перемещении ведущего штока 13 вниз, и перемещение ведомого штока 14 влево (на фиг. 1) при перемещении ведущего штока 13 вверх. Косозубое зацепление, обеспечивающее взаимодействие штоков 13 и 14, расположено в полостях отверстий 15, 19 и в полости 22 отверстия 16, ограниченной подвижным уплотнением 23 и неподвижным уплотнением 24. Полость 25 отверстия 16 сообщается с полостью 10 поршня 9 посредством отверстий 26 и, соответственно, с полостью выходного патрубка 3, что выравнивает давление как на поршне 9, так и на штоке 14 клапана и обеспечивает отсутствие усилий от перепада давления в клапане.
Полость 27 косозубого зацепления зубчато-реечного механизма герметизирована от внутренних полостей клапана, находящихся под давлением рабочей среды, уплотнениями 23, 24 и уплотнениями 28, 29, что позволяет поддерживать давление в полости 27 зубчато-реечного механизма равное атмосферному. Таким образом, детали зубчато-реечного механизма разгружены от перепада давлений.
При этом характер взаимодействия зубьев 20 и 21 таков, что при перемещении ведущего штока 13 в какую-либо сторону происходит прижатие с определенным усилием поверхностей зубьев 20 к поверхностям зубьев 21 с последующим сдвигом зубьев 20 относительно зубьев 21. Одновременно с этим происходит аналогичное прижатие части цилиндрической поверхности ведущего штока 13 к части поверхности отверстия 15 втулки 17 и части цилиндрической поверхности ведомого штока 14 к части поверхности 16 втулки 17 с последующим сдвигом одних цилиндрических поверхностей относительно других.
Данное явление требует применения однотипных материалов, причем поверхности, контактирующие с уплотнительными элементами, должны быть коррозионностойкими во избежание нарушения герметичности по причине коррозии.
Решение этой проблемы, с целью повышения надежности, долговечности и снижения времени на обслуживание клапана, согласно полезной модели, предлагается применением на взаимодействующих поверхностях ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма покрытия слоем молибдена 30, 31 - на поверхностях зубьев и 32, 33 - на цилиндрических поверхностях, например газо-плазменным способом.
Работает клапан следующим образом.
Регулируемая среда поступает во входной патрубок 2 и, проходя кольцевым каналом 5, сформированным корпусом 1 и обтекателем 4, через отверстия 7 гильзы 6 поступает в выходной патрубок 3. При необходимости уменьшения расхода или давления регулируемой среды (при закрывании клапана), поршень 9, посредством ведомого штока 14 и ведущего штока 13, смещается приводом 12 в правое положение, перекрывая отверстия 7 гильзы 6.
Расход проходящей регулируемой среды определяется числом открытых отверстий 7 в гильзе 6. При полностью перекрытых отверстиях гильзы клапан закрыт.
Открывание клапана производится приводом 12, задающим движение ведущему штоку 13, соединенному посредством косозубого зацепления с ведомым штоком 14, который перемещает в левое положение поршень 9, открывая отверстия 7 гильзы 6.
Как говорилось выше, подвижные элементы клапана (шток ведущий 13, шток ведомый 14, поршень 9) разгружены от перепада давлений в полостях клапана. Однако, когда клапан находится в закрытом положении, во входном патрубке 2 и всех, сообщающихся с ним полостях, создается высокое давление среды, при этом в выходном патрубке 3 и всех сообщающихся с ним полостях давление может быть значительно ниже (вплоть до атмосферного). В этом (закрытом) положении все эластичные уплотнительные элементы испытывают перепад давления и обжимают уплотнительные поверхности сопрягаемых деталей с усилием, обеспечивающим герметичность. Для открытия клапана к ведущему штоку 13 необходимо приложить усилие, превосходящее силы обжатия уплотнительных элементов и силы трения всего механизма. Благодаря покрытию поверхностей зубьев зубчато-реечного механизма слоями 30, 31 молибдена, а также части цилиндрических поверхностей слоями 32, 33 молибдена не происходит схватывания поверхностей, т.к. молибден обладает низким коэффициентом трения и свойствами, препятствующими возникновению задиров.
Наличие молибденового покрытия на элементах зубчато-реечного механизма обеспечивает работоспособность клапана без смазки, роль которой выполняет сам молибден. Это позволяет избежать трудоемкого частого обслуживания клапана по возобновлению смазки на поверхностях зубчато-реечного механизма, повышает при этом надежность и долговечность клапана, исключает потери, связанные с простоем оборудования, вызванного обслуживанием клапана.