ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ

Запорно - регулирующий вентиль
Изобретение относиться к трубопроводной арматуре и может быть использовано для перекрытия и регулирования жидких, газообразных, а также загрязненных рабочих сред высоких энергетических параметров.
Одним из основных устройств трубопроводной арматуры являются различного рода запорно-регулирующие краны, влияющие на характер истечения сред и различающиеся между собой конструктивным выполнением запорных элементов.
Большое распространение получили вентили для перекрытия и регулирования потоков сред в виде жидкости, пара или газа. В качестве элемента перекрытия в них используется клапанная тарелка, устанавливаемая в седло и приводимая в действие с помощью шпинделя (БСЭ №4, стр. 517, 1971г, В.И. Андреев «Справочник конструкторамашиностроителя том 3, стр.324, 1980г.)
Подобные устройства перекрывают поток среды посредством встречного перемещения клапанной тарелки до полной установки на седло. Для этого необходимо затратить усилие на преодоление давления среды, а также дополнительное усилие для обеспечения герметизации запирания
Необходимость создания дополнительного усилия запирания создает неудобство пользования, снижает ресурс работы и в целом ухудшает технические качества известных устройств.
Кроме этого известные вентили не имеют устройств, предотвращающих засорение, что делает невозможным их применение в загрязненных средах.
Другой разновидностью запорных устройств являются шаровые краны. Основным элементом для перекрытия потока в них используется
6F16K 1/100
с//$6 ,
шаровой затвор, выполненный в виде шара со сквозным отверстием. Например, шаровой кран по патенту 2104434 кл.бР 16 К5/06 .
Для открытия крана шаровой затвор поворачивают вокруг своей оси до совпадения его отверстия с соосно расположенными входным и выходным патрубками. И, наоборот, для его закрытия отверстие шара разворачивают на 90 .
В силу того, что шаровой затвор не имеет фиксации промежуточных положений и, соответственно, не может использоваться в процессах регулирования истечения сред, технические возможности и область применения устройств подобного типа значительно ограничена.
Наиболее успешно способны решать вопросы запирания и регулирования истечения различных сред краны, содержащие запорный орган шарообразной формы с гладкой поверхностью.
Известен кран для отопительных приборов по авторскому свидетельству №436949 кл. F 16K 1/100, содержащий корпус, шариковый запорный клапан, свободно расположенный в седле и магнит, установленный на скобе, закрепленной на корпусе.
Недостатком данного крана является невозможность обеспечения промежуточных положений шарового запорного клапана, что исключает его применение в процессах, связанных с необходимостью регулирования потока истечения среды. Это ограничивает область его применения и значительно снижает технические возможности известного устройства.
Также известен кран по патенту №2067707 6F 16К 1/100, содержащий корпус, в котором расположен клапан шарообразной формы, установленный с возможностью перекатывания по седлу и жёстко соединенный с толкателем.
Недостатком известного крана является выполнение толкателя и шарообразного клапана за одно целое. Такое конструктивное исполнение предопределяет жесткое, фиксированное положение шарообразного клапана относительно седла, которое может изменяться только посредством соответствующего изменения положения толкателя. Это
исключает возможность реагирования шарообразного клапана на загрязнения транспортируемой среды и неизбежно приведет его к засорению и нарушению заданного режима истечения.
Наиболее близким по техническому решению является автоматический запорный клапан по авторскому свидетельству № 670767 кл. F16K 1/12.
Известное устройство содержит корпус, входную камеру, содержащуюзапорнуюголовкукаплевиднойформы,
взаимодействующую с седлом, отделяющим выходную камеру, в проточке которой размещен хвостовик, жестко связанный с запорной головкой и привод в виде накидной гайки, выполняющей роль шпинделя управления.
Как и в вышерассмотренном случае, жесткая связь хвостовика с запорной головкой определяет её фиксированное положение относительно седла и, тем самым, исключает возможность противодействовать процессу засорения в условиях регулирования загрязненных сред с минимальным потоком истечения.
Также в процессе открытия известного устройства, каплевидную головку отрывают от седла по всему периметру прилегания одновременно, что требует затраты большого усилия, прилагаемого к приводу в виде накидной гайки, вызывает повышенный износ трущихся поверхностей.
Таким образом, жесткая связь запорной головки с хвостовиком усложняет конструкцию, снижает её надежность и эксплуатационные качества и в целом ухудшает технические возможности известного устройства, ограничивая область его применения.
Целью предлагаемого изобретения является создание запорнорегулирующего вентиля, способного предотвращать возникновение засорений при регулировании истечения загрязненной среды, более простого конструктивного исполнения с повышенными
эксплуатационными качествами и расширенными техническими возможностями..
Поставленная цель достигается тем, что запорно-регулирующий вентиль содержит корпус, входную и выходную камеры, разделенные между собой седлом с проходным отверстием и рабочей поверхностью, обращенной в сторону входной камеры, в которой расположен шаровой клапан, установленный с возможностью перекатывания по рабочей поверхности седла и шпиндель управления, отличающийся тем. что шпиндель управления снабжен элементом перекатывания, расположенным с возможностью взаимодействия с шаровым клапаном, установленным с возможностью колебательных движений относительно седла.
Целесообразно элемент перекатывания выполнить в виде толкателя с контактной поверхностью сферической формы.
Также целесообразно элемент перекатывания выполнить в виде серьги, охватывающей шаровой клапан.
Кроме этого, целесообразно элемент перекатывания выполнить в виде цилиндра со спиральной канавкой, контактирующей с шаровым клапаном.
Такое исполнение запорно-регулирующего вентиля (в дальнейшем просто «вентиль) позволяет исключить засорение шарового клапана при регулировании истечения загрязненной среды, упростить констр кцию основных исполнительных органов (элемента перекатывания и шарового клапана), снизить усилие открывания и закрывания шарового клапана и, соответственно, повысить эксплуатационные качества вентиля, улучшить рабочие характеристики, создать благоприятные условия для решения вопросов автоматизации его управления и, в целом. расширить технические возможности предлагаемого изобретения.
Действительно, в процессе открытия вентиля посредством перекатывания шарового клапана, последний зависает над проходным отверстием седла, опираясь при этом на две точки, прежде всего на
сферическую поверхность элемента перекатывания, а противоположной стороной - на рабочую поверхность седла.
Такое взвешанное положение, приданое шаровому клапану, позволяет ему совершать колебательные движения под воздействием обтекающего потока загрязненной среды и тем самым препятствовать накоплению твердых частиц засорений.
Выполнение шарового клапана, являющегося одним из основных исполнительных органов вентиля, в виде шара правильной формы, изготавливаемого из любых материалов необходимой прочности (металл, пластмассы и др.), а также элемента его перекатывания в виде толкателя с контактной поверхностью сферической формы, в совокупности создает конструкцию, выгодно отличающуюся от подобных известных устройств своей простотой, производственной технологичностью и низкой себестоимостью изготовления.
В процессе открытия вентиля, шаровой клапан с помощью элемента перекатывания начинают выкатывать из отверстия седла, открывая при этом постепенно его проходное сечение. Такое постепенное открывание требует минимального усилия. затрачиваемого на перекатывание шарового клапана и. соответственно. усилия, необходимого на перемещение шпинделя управления.
Закрытие вентиля производится в обратном порядке, при котором шаровой клапан, закатываясь в седло под давлением среды, способствует уходу элемента перекатывания, облегчая усилие перемещения шпинделя управления в обратном направлении.
Снижение усилия на шпинделе управления облегчает ручное управление, снижает износ трущихся поверхностей, увеличивает ресурс работы и в целом повышает эксплуатационные качества вентиля.
Выполнение элемента перекатывания в виде толкателя с контактной поверхностью сферической формы обеспечивает постоянство площади контакта с шаровым клапаном, что повышает плавность его перекатывания по рабочей поверхности седла и, соответственно, придает
стабильность и пропорциональность процессу регулирования истечения сред, улучшая при этом технические возможности предлагаемой конструкции вентиля.
Выполнение элемента перекатывания в виде серьги, охватывающей шаровой клапан, позволяет выкатывать последний за пределы седла и полностью открывать проходное отверстие для обеспечения максимального и беспрепятственного истечения потока, что расширяет пределы регулирования, увеличивает пропускную способность вентиля и улучшает его технические возможности.
Кроме этого, выполнение элемента перекатывания в виде цилиндра со спиральной канавкой, контактирующей с шаровым клапаном, позволяет перекатывать последний по рабочей поверхности седла, используя при этом исключительно вращательное движение вышеупомянутого цилиндра со спиральной канавкой. Отсутствие возвратно-поступательного движения упомянутого цилиндра позволяет снабдить жестко закрепленный с ним шпиндель управления устройством отбора мощности в виде шкива, зубчатого колеса, соединительной муфты и т.д. и. соединив их с электроприводом, автоматизировать управление вентилем, расширив тем самым его технические возможности.
В результате изменения конструкции известного устройства путем снабжения шпинделя управления элементомперекатывания,
расположенного с возможностью взаимодействия с шаровым клапаном, устанавливаемым с возможностьюколебательных движений
относительно седла, создана новая конструкция запорно-регулирующего вентиля, способного предотвращать возникновение засорений, при регулировании истечения загрязненной среды, более простого конструктивного исполнения, с повышенными эксплуатационными качествами и расширенными техническими возможностями.
Ниже в качестве примера приведены варианты конструктивного исполнения запорно-регулирующего вентиля и показаны чертежи на которых:
Фиг. 1- общий вид вентиля с элементом перекатывания.
выполненным в виде толкателя со сферической контактной поверхностью, углового исполнения;
Фиг.2- общий вид вентиля с элементом перекатывания, выполненным в виде толкателя со сферической контактной поверхностью, прямоточного исполнения;
Фиг.З - общий вид вентиля с элементом перекатывания, выполненным в виде серьги;
Фиг.4- общий вид вентиля с элементом перекатывания, выполненным в виде цилиндра со спиральной канавкой.
Представленный вентиль является одним из элементов трубопроводной арматуры и предназначен для перекрытия и регулирования газообразных и жидких сред высокого давления.
Данный вентиль может использоваться также и для регулирования истечения загрязненных сред. При этом его засорение предотвращается за счет того, что шпиндель управления упомянутого вентиля снабжен элементом перекатывания, контактирующим с шаровым клапаном и устанавливающим его в положение. позволяющее совершать колебательные движения относительно седла под воздействием твердых частиц загрязнений.
В рез)льтате этого частицы загрязнений не имеют возможности накапливаться и нарушать заданный режим работы вентиля.
Кроме этого, представленный вентиль отличается от известных устройств простотой конструкции, высокими эксплуатационными качествами и более широкими техническими возможностями.
Предлагаемый вентиль содержит корпус 1 (фиг. 1.2,3.4), входную 2 и выходную 3 камеры, разделенные между собой седлом 4, имеющим проходное отверстие 5 и рабочую поверхность 6.
Во входной камере 2 расположен шаровой клапан 7. взаимодействующий с элементом перекатывания 8. становлением на шпинделе } правления 9. который снабжен маховичком 10 (фиг. 1.2,3).
При этом, элемент перекатывания 8 выполнен в виде толкателя 11 со сферической контактной поверхностью 12 (фиг. 1.2).
Другой вариант элемента перекатывания выполнен в виде серьги Щфиг.З).
На фиг.4 показан элемент перекатывания 8, выполненный в виде цилиндра 14 со спиральной канавкой 15. При этом на наружном конце шпинделя управления 9 установлено устройство отбора мощности в виде шкива 16.
В закрытом положении вентиля фиг. 1.2,3.4 шаровой клапан 7 установлен в седле 4 и под давлением среды во входной камере 2. плотно перекрывас проходное отверстие 5. препятствия, тем самым, поступлению помянутой среды в выходи}ю камер} 3.
Для открытия вентиля необходимо вращением маховичка 10 сообщить поступательное движение шпинделю управления 9 с установленным на нем элементом перекатывания 8 до соприкосновения с шаровым клапаном 7. При дальнейшем перемещении элемента перекатывания 8 шаровой клапан 7 начинает изменять свое положение, открывая при этом часть проходного отверстия 5 в виде узкой серповидной полоски, расширяющейся по мере дальнейшего откатывания шарового клапана 7.
Пропорционально откатыванию шарового клапана 7 изменяется пропускная способность проходного отверстия 5 и. соответственно, производительность вентиля, измеряемая объемом истечения среды в единиц) времени.
Закрытие вентиля производится в обратном порядке. Поворачивая маховичёк 10 в противоположном направлении, отводят шпиндель управления 9 вместе с элементом перекатывания в исходное положение. При этом шаровой клапан 7, прижимаемый давлением среды к упомянутому элементу перекатывания 8. неразрывно следует за ним. перекатываясь при этом по рабочей поверхности 6 седла 4. вплоть до полного перекрытия проходного отверстия 5.
отметить, что в начальный период запуска вентиля в работу, когда среда еще отсутствует, шаровой клапан 7 фиг. 1 находится вне седла, располагаясь произвольно во входной камере 2.
При поступлении среды и обтекании ей шарового клапана 7 на него сразу начинает действовать сила, которая перекатывает его по рабочей поверхности 6 седла 4 и устанавливает в позицию перекрытия проходного отверстия 5. Эта сила образуется в результате несимметричного обтекания шарового клапана 7 потоком среды. Так, его верхняя часть, расположенная в непосредственной близости к проходному отверстию 5. обтекается более прямолинейным потоком, встречающим на своем пуги минимальное сопротивление и поэтом} имеющем) большею скорость течения. В противоположность этому часть потока, омывающая нижнюю половин} шарового клапана 7. встречает большее сопротивление, как со стороны упомянутого шарового клапана, так и в результате изменения направления потока на пути к проходном} отверстию 5. что снижает скорость его течения.
Однако, согласно закону Бернулли. там. где скорость потока больше - давление среды меньше и наоборот (этот эффект лежит в основе подъемной силы крыла).
В рез льтате этого, в рассматриваемом сл}чае. давление среды на нижнюю часть шарового клапана 7 будет больше нежели на его верхнюю часть. Эта разность давлений и приводит к возникновению силы, закатывающей шаровой клапан 7 в седло, в позицию перекрытия проходного отверстия 5.
Эти силы, увлекающие шаровой клапан 7 к проходному отверстию 5 возникают всегда, при любых положениях седла 4 в пространстве (горизонтальном, вертикальном, наклонном и т.д.) в условиях нар} шения симметричности обтекающего его потока среды. Причем, чем более выражена несимметричность потока (разность скоростей обтекания), тем в большей степени возрастает усилие, стремящиеся устранить это положение путем перемещения шарового клапана 7 в центр потока и. в конечном итоге, к проходному отверстию 5. которое, как раз и находится в этом самом центре. (Е. И. Бутиков и др. «Физика для поступающих в вузы 1982г. стр. 108; БСЭ 1975г.. том 20. стр. 141).
В реальных условиях часто возникает необходимость в регулировании истечения загрязненной среды. Например. в технологических процессах, связанных с использованием и очисткой сжатого воздуха от загрязнений в виде конденсата, состоящего из воды, минерального масла и твердых частиц. Эти загрязнения удаляются из сжатого воздуха специальными устройствами и выводятся наруж с помощью конденсатоотводчиков. Однако, автоматизировать данный процесс, сделать его непрерывным, весьма проблематично по причине засорения конденсатоотводчиков и нарушения процесса выделения загрязнений.
Предлагаемый вентиль успешно решает эту задач} и является идеальным конденсатоотводчиком.
При установке режима минимального истечения сжатого воздуха (расхода) во внешнюю среду, совместно с ним непрерывно выделяются и загрязнения, составляющие вышеупомянутый конденсат, который не засоряет вентиль и не нарушает его работ}.
Это1 эффект достигается тем. что процесс регулирования истечения среды осуществляют путем частичного открытия проходного отверстия 5. фиг. 1,2. Для осуществления этого, шаровой клапан 7 перекатывают в пределах данного проходного отверстия 5 и устанавливают в неустойчивое, взвешенное положение, с опорой на
10
сферическую контактную поверхность 12 толкателя 11 с одной стороны и на рабочую поверхность 6 седла 4 с другой. В таком положении шаровой клапан 7. фиг. 1, имея центральную точку опоры на элемент перекатывания 8. выполненный в виде толкателя 11 со сферической контактной поверхностью 12, может под воздействием среды изменять это положение, перемещая при этом вторую опорную точк) на поверхности седла 4 по описанной окружности вокруг проходного отверстия 5.
При истечении чистой среды с симметричным обтеканием потока, положение шарового клапана 7 может оставаться неизменным, сохраняя постоянным установленный зазор между проходным отверстием 5.
Однако, загрязненная среда, включающая твердые частички в виде пыли, ржавчины, окалины и др.. будет периодически засорять этот зазор в том или ином месте, изменяя при этом симметричность скоростей обтекания шарового клапана 7. При этом, под воздействием возникшего усилия упомянутый шаровой клапан 7 отклоняется в сторону, увеличивая в этом месте величину зазора. Потеряв опор} на поверхность шарового клапана 7. засорение удаляется средой через проходное отверстие 5 и выводится наружч.
Таким образом, шаровой клапан 7 получает двойное управление. С одной стороны, устанавливается элементом перекатывания 8 с определенным зазором относительно проходного отверстия 5.а . с другой сюроны. получая импульсы от возникающих засорений, совершает колебательные движения относительно  седла 4. В результате такого двойного правления предлагаемый вентиль обретает способность автоматически самоочищаться и поддерживать неизменным заданный режим истечения загрязненной среды.
Способность предлагаемого вентиля работать в широком диапазоне регулирования, с самыми различными средами, в том числе загрязненными, расширяет его технические возможности и области применения.
В октпчии от вентиля, показанного на фиг.1. где шпиндель управления 9 расположен соосно проходном}1 отверстию 5 седла 4. вентиль, изображенный на фиг.2. обладает шпинделем управления 9. расположненным параллельно рабочей поверхности 6 седла 4.
Эта особенность позволяет создать конструкцию с прямоточным направлением потока. Такой вентиль добно использовать на прямолинейных горизонтальных и вертикальных участках арматлры.
Представленные на фиг.1 и 2 вентили обладают простой и одинаковой конструкцией основных исполнительных механизмов. Например, шаровой клапан 7 представляет собой шар правильной геометрической формы с гладкой образующей поверхностью. Для его изготовления могут использоваться самые различные материалы: сталь, чугун, цветные металлы, пластмассы, резина и т.д.
Кош актирующий с ним элемент перекатывания 8. выполненный в виде толкателя 11 с контактной поверхностью сферической формы 12 и установленный на шпинделе управления 9. также имеет простую форму. легко поддающуюся изготавлению на токарном оборудовании из типового проката.
Вышеперечисленные особенности предложенных вентилей фиг. 1 и 2. выгодно отличают их от известных  стройств простотой конструктивного исполнения, снижением тр доемкости и себестоимости изготовления, а также расширением их технических возможностей.
Вентиль, изображенный на фиг.З. отличается от вышеописанных стройств фиг.1 и 2 исполнением элемента перекатывания 8. выполненного в виде серьги 13. охватывающей шаровой клапан 7. Его работа аналогична работе устройств на фиг.1 и 2. Также с помощью маховичка 10 приводится в действие шпиндель управления 9. перемещающий серьгу 13 относительно седла 4 и проходного отверстия 5. Вместе с серыой 13 перемещается и заключенный вн три нее шаровой клапан 7. перекашваясь при этом по рабочей поверхности 6 седла 4. Причем 1экая конструкция элемента перекатывания 8 позволяет
выкатывать помянутый шаровой клапан за пределы проходного отверстия 5 седла 4. открывая при этом беспрепятственный проход для среды, обеспечивая при этом наибольшую прот скт ю способность предложенного вентиля.
Наряд) с этим, элемент перекатывания 8. выполненный в виде серьги 13. позволяет реализовать все режимы регулирования истечения среды, в том числе и загрязненной.
Серьга 13 не препятствует колебательным движениям шарового клапана 7 относительно седла 4 и, сохраняя эффект его самоочищения, обеспечивает неизменность заданного режима истечения среды при наличии загрязнений.
Эти положительные качества расширяют технические возможности предложенного вентиля, позволяют применять его в высокопроизводительных системах трубопроводной арматуры.
Конструкция вентиля, изображенная на фиг.4. снабжена элементом перекатывания 8. выполненного в виде цилиндра 14 со спиральной канавкой 15. контактирующей с шаровым клапаном 7.
Особенность управления данного вентиля заключается в том. что шаровой клапан 7. взаимодействуя со спиральной канавкой 15 цилиндра 14, на подобии гайки и болта, перемещается в том или ином направлении по рабочей поверхности 6 седла 4 в зависимости oi направления вращения этого цилиндра.
То есть, возвратно - поступательное перекатывание шарового клапана 7 осуществляется исключительно за счет вращательного движения цилиндра 14 без его осевого смещения.
В свою очередь это обстоятельство создает благоприятные условия для автоматизации процесса управления вентилем фиг.4. путем подачи на шпиндель управления 9 и жестко закрепленный с ним цилиндр 14 вращательного движения от постороннего источника энергии, например, хтектропривода. с помощью клиноременной. цепной, зубчатой и других передач. В качестве примера вентиль, изображенный на фиг.4. снабжен
шкивом 16 о бора мощности, который позволяет трансформировав энергию привода в перекатывание шарового клапана 7 по рабочей поверхности 6 седла 4.
Следует отметить, что при взаимодействии шарового клапана 7 со спиральной канавкой 15. он полностью сохраняет возможность совершать колебательные движения относительно седла 4 п. соответственно, своп функции по регулированию истечения загрязненной среды и самоочищению от загрязнений.
Создание вентиля, позволяющего оснащать его устройствами отбора мощности, например, в виде шкива, облегчает возможность процесса авюматизации управления средой и. соо1ветсгвснно. расширяем его технические возможности.
В предлагаемых конструкциях вентиля фш. 1.2.3 и 4. его открытие осуществляется посредством перекатывания шарового клапана 7 за пределы проходного отверстия 5 седла 4.
Этот процесс осуществляется посредством элемента перекатывания 8. который, войдя в контакт с шаровым клапаном 7. начинает постепенно отрывать его от проходного отверстия 5 в начале в виде небольшого сегмента, расширяющегося по мере дальнейшего продвижения элемента перекатывания 8.
Такое постепенное открытие проходного О1версгия 5  значительно меньшее усилие воздействия на шаровой клапан 7 и. соответственно, меньшую нагрузку на элемент перекатывания 8. шпиндель управления 9 и маховичок 10.
В свою очередь, уменьшение усилия снижает износ трущихся поверхностей, увеличивает ресурс работы вентиля, облегчает ручное  правление и в целом повышает его эксплуатационные качества.
Таким образом, на основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что в результате изменений, внесенный в известное устройство, в виде снабжения шпинделя } правления 9 элементом перекатывания 8 шаровою клапана 7. позволяющего устанавливать последний в
№&{Ј& &
14
положения, оолегчающие возможность совершения его колебаюльных движении относительно седла 4, отраженных в формуле изобретения, получена новая конструкция запорно-рег лир ющею вентиля, обладающею способностью регулировать истечения среды, при этом автоматически самоочищаться от засорений. более простого конструктивного исполнения с л чшенными экспдхатапионными качествами и более широкими техническими возможностями.