УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО В КЛАПАНЕ И КЛАПАН С ТАКИМ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
SEALING DEVICE IN VALVE AND VALVE WITH SUCH SEALING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к клапану, в частности к уплотнительному устройству в клапане.
Уровень техники
Клапаны обычно используются в промышленных системах управления для регулирования потоков жидкости в системах. Для регулирования потока жидкости стандартный клапан включает в себя шток клапана и седло клапана; при этом проходное отверстие клапана задано на седле клапана, а шток клапана может перемещаться относительно седла клапана для регулирования открытия, закрытия или степени открытия проходного отверстия клапана. Обычно текучая среда оказывает разное давление на разные участки штока и седла клапан, и поэтому между штоком клапана и седлом клапана должно быть предусмотрено уплотнительной устройство с целью предотвращения нежелательных напорных протечек.
На Фиг. 1 проиллюстрировано известное уплотнительное устройство (10). Уплотнительное устройство (10) включает в себя шток (11) клапана, седло (12) клапана и кольцевую канавку (13) на наружной поверхности штока (11) клапана. В собранном состоянии уплотняющий элемент, такой как уплотнительное кольцо, вставлен в кольцевую канавку (13), в результате чего уплотняющий элемент обеспечивает уплотнение между штоком (11) и седлом (12) клапана во время его работы.
Однако в отношении уплотнительного устройства (10) по Фиг. 1 существует одна проблема: поскольку на штоке (11) клапана выполняется канавка, процесс изготовления штока (11) клапана усложняется, что влияет на его себестоимость. Кроме того, канавка, выполняемая на штоке (11) клапана, нарушает конструктивную целостность штока (11) клапана.
На Фиг. 2 проиллюстрировано другое известное уплотнительное устройство (20). Уплотнительное устройство (20) включает в себя шток (21) клапана, соединенный с диафрагмой (26) с помощью соединительных элементов (24) и (25), и седло (22) клапана. Седло (22) клапана снабжено канавкой (23), а соединительный элемент (24) снабжен выступом (27). В собранном состоянии выступ (27) удерживает уплотняющий элемент (28), такой как уплотнительное кольцо, в канавке (23), в результате чего уплотняющий элемент (28) обеспечивает уплотнение между штоком (21) и седлом (22) клапана во время его работы.
Однако в отношении уплотнительного устройства (20) по Фиг. 2 также существует одна проблема: как показано на фиг. 2, наблюдается относительно большие зазоры между нижней поверхностью соединительного элемента (24) и наружной поверхностью седла (22) клапана, а также между боковой поверхностью соединительного элемента (24) и боковой поверхностью седла (22) клапана, через которые в случае выхода уплотнительного элемента (28) из строя, например, вследствие износа уплотнительного кольца может сбрасываться давление текучей среды, что является нежелательным.
Соответственно, существует потребность в других уплотнительных устройствах.
Раскрытие изобретения
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено уплотнительное устройство в клапане, которое включает в себя следующие элементы: первый элемент с выпуклой частью, второй элемент с вогнутой частью и уплотняющий элемент; при этом выпуклая часть первого элемента сопряжена с вогнутой частью второго элемента, а выпуклая часть первого элемента выполнена с возможностью вхождения в вогнутую часть второго элемента; уплотняющий элемент расположен между выпуклой частью первого элемента и вогнутой частью второго элемента; а выпуклая часть первого элемента и вогнутая часть второго элемента сопрягаются друг с другом в динамическом режиме с противоположно направленной ориентацией.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения динамическое и противоположно ориентированное сопряжение выпуклой части первого элемента с вогнутой частью второго элемента означает, что в процессе сопряжения один из первого элемента и второго элемента является неподвижным, а другой перемещается относительно первого, или оба первый элемент и второй элемент перемещаются относительно друг друга.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения выпуклая часть первого элемента характеризуется наличием первой периферийной наружной поверхности, первой кольцевой торцевой поверхности, идущей радиально внутрь от края первой периферийной наружной поверхности, и второй периферийной наружной поверхности, идущей от внутреннего края первой кольцевой торцевой поверхности в направлении от первой периферийной наружной поверхности; а вогнутая часть второго элемента характеризуется наличием первой периферийной внутренней поверхности, второй кольцевой торцевой поверхности, идущей радиально внутрь от края первой периферийной внутренней поверхности, и второй периферийной внутренней поверхности, идущей от внутреннего края второй кольцевой торцевой поверхности в направлении от первой периферийной внутренней поверхности; при этом размеры первой периферийной наружной поверхности и первой периферийной внутренней поверхности подобраны таким образом, чтобы обеспечивать установку с зазором между указанными поверхностями, равно как и размеры второй периферийной наружной поверхности и второй периферийной внутренней поверхности подобраны таким образом, чтобы обеспечивать установку с зазором между указанными поверхностями.
В одном из примеров реализации заявленного изобретения уплотнительное устройство представляет собой уплотнительное кольцо.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения первым элементом является шток клапана, а вторым элементом - седло клапана.
В другом варианте предложен клапан, содержащий уплотнительное устройство в клапане согласно заявленному изобретению.
Краткое описание чертежей
Вариант осуществления настоящего изобретения легче всего понять в привязке к представленным ниже чертежам. Элементы на чертежах вычерчены не пропорционально.
На Фиг. 1 представлено известное уплотнительное устройство;
На Фиг. 2 представлено другое известное уплотнительное устройство;
На Фиг. 3 представлено покомпонентное изображение одного из вариантов реализации уплотнительного устройства в клапане согласно настоящему изобретению;
На Фиг. 4 показан общий вид уплотнительного устройства по Фиг. 3;
На Фиг. 5 показано поперечное сечение одного из вариантов реализации клапана согласно настоящему изобретению;
На Фиг. 6 представлена кривая перепада давления в известном клапане; и
На Фиг. 7 представлена кривая перепада давления в клапане по Фиг. 5.
На указанных чертежах одни и те же позиции обозначают одинаковые, схожие или соответствующие признаки или функции.
Осуществление изобретения
Ниже описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения в привязке к чертежам, составляющим неотъемлемую часть заявленного изобретения. На прилагаемых чертежах показаны конкретные варианты реализации настоящего изобретения, которые носят исключительно иллюстративный характер. Проиллюстрированные варианты осуществления заявленного изобретения не охватывают все возможные варианты реализации заявленного изобретения. Специалистам в данной области техники понятно, что могут быть использованы и другие варианты осуществления настоящего изобретения, равно как внесены некоторые изменения в его логику или конструкцию, без отступления от существа и объема заявленного изобретения. Соответственно, представленные ниже конкретные варианты осуществления настоящего изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем заявленного изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
В нижеследующем описании даны ссылки на прилагаемые чертежи. Эти чертежи являются неотъемлемой частью настоящего изобретения, и некоторые конкретные варианты его осуществления представлены на чертежах исключительно в качестве примера. В этой связи некоторые термины, касающиеся ориентации, такие как «правый», «левый», «верх», «низ», «передний», «задний», «вперед» и «назад», использованы в отношении направлений, обозначенных на чертежах. Таким образом, элементы устройства в разных вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть ориентированы в разных направлениях, а термины, касающиеся их ориентации, даны исключительно для примера и не носят ограничительный характер. Специалистам в данной области техники понятно, что могут быть использованы и другие варианты осуществления настоящего изобретения, равно как внесены некоторые изменения в его логику или конструкцию, без отступления от существа и объема заявленного изобретения. Соответственно, представленные ниже конкретные варианты осуществления настоящего изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем заявленного изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено уплотнительное устройство в клапане, включающее в себя следующие элементы: первый элемент с выпуклой частью, второй элемент с вогнутой частью и уплотняющий элемент; при этом выпуклая часть первого элемента сопряжена с вогнутой частью второго элемента, а выпуклая часть первого элемента выполнена с возможностью вхождения в вогнутую часть второго элемента; уплотняющий элемент расположен между выпуклой частью первого элемента и вогнутой частью второго элемента; а выпуклая часть первого элемента и вогнутая часть второго элемента сопрягаются друг с другом в динамическом режиме с противоположно направленной ориентацией.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения динамическое и противоположно ориентированное сопряжение выпуклой части первого элемента с вогнутой частью второго элемента означает, что в процессе сопряжения один из указанных элементов (первый или второй) является неподвижным, а другой перемещается относительно первого, или оба указанных элемента (как первый, так и второй) перемещаются относительно друг друга.
На Фиг. 3 представлено покомпонентное изображение одного из вариантов реализации уплотнительного устройства (30) в клапане согласно настоящему изобретению. Как показано на Фиг. 3, уплотнительное устройство (30) включает в себя первый элемент (31), второй элемент (32) и уплотняющий элемент (39). Первый элемент (31) характеризуется наличием первой наружной поверхности (33), ориентированной в осевом направлении (в направлении Y, как это показано на чертеже); второй наружной поверхности (35), ориентированной внутрь в боковом направлении (в направлении X, как это показано на чертеже) относительно первой наружной поверхности (33); и третьей наружной поверхности (34), расположенной между первой наружной поверхностью (33) и второй наружной поверхностью (35), и ориентированной в боковом направлении. Второй элемент (32) характеризуется наличием первой внутренней поверхности (36), ориентированной в осевом направлении (в направлении Y, как это показано на чертеже); второй внутренней поверхности (38), ориентированной внутрь в боковом направлении (в направлении X, как это показано на чертеже) относительно первой внутренней поверхности (36); и третьей внутренней поверхности (37), расположенной между первой внутренней поверхностью (36) и второй внутренней поверхностью (38), и ориентированной в боковом направлении.
На Фиг. 4 представлен общий вид уплотнительного устройства по Фиг. 3. Как показано на Фиг. 4, в собранном состоянии уплотняющий элемент (39) располагается в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), за счет чего обеспечивается уплотнение. При установке обеспечивается зазор между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36), равно как и зазор между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38). Согласно примеру последовательности установки сначала прокладывается уплотняющий элемент (39), охватывающий вторую наружную поверхность (35) первого элемента (31), после чего первый элемент (31) вместе с уплотняющим элементом (39) устанавливаются во второй элемент (32).
Во время работы первый элемент (31) и второй элемент (32) могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении, поэтому размер зазора, образованного второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), изменяется соответствующим образом, но уплотняющий элемент (39) при этом по-прежнему удерживается в зазоре.
В сравнении с известным уплотнительным устройством по Фиг. 1 и 2 уплотнительное устройство по Фиг. 3 и 4 может характеризоваться одним или несколькими следующими преимуществами.
Так как первому элементу (31) не требуется канавка для установки уплотняющего элемента, это упрощает процесс изготовления первого элемента (31), за счет чего уменьшаются затраты на его обработку.
Кроме того, поскольку первому элементу (31) не требуется канавка для установки уплотняющего элемента, это обеспечивает конструктивную целостность первого элемента (31) и продлевает срок его службы.
Кроме того, поскольку при установке обеспечивается зазор между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36), равно как и между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38), давление текучей среды не может быть сброшено между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36) или между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38), даже в случае выхода из строя уплотняющего элемента (39).
Кроме того, уплотняющий элемент по Фиг. 1 выполнен с возможностью выхода из канавки (13), а уплотняющий элемент по Фиг. 2 проявляет тенденцию к выходу из канавки (23), когда первый элемент (21) перемещается вверх относительно второго элемента (22) на слишком большое расстояние. В сравнении с уплотняющим элементом по Фиг. 1 или 2 уплотняющий элемент (39) никогда не выйдет наружу, поскольку уплотняющий элемент (39) всегда удерживается в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), во время перемещения первого элемента (31) и второго элемента (32) относительно друг друга.
Кроме того, уплотнительное устройство (30) характеризуется простотой сборки и обслуживания.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) имеют цилиндрическую форму. Наружный диаметр первой наружной поверхности (33) превышает наружный диаметр второй наружной поверхности (35), а внутренний диаметр первой внутренней поверхности (36) больше внутреннего диаметра второй внутренней поверхности (38). Кроме того, в качестве уплотняющего элемента (39) использовано уплотнительное кольцо.
Следует отметить, что первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) могут иметь любую приемлемую форму. Например, первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) могут иметь квадратную, прямоугольную, овальную или иную форму. Наружный диаметр первой наружной поверхности (33) может быть меньше наружного диаметра второй наружной поверхности (35), а внутренний диаметр первой внутренней поверхности (36) может быть меньше, соответственно, внутреннего диаметра второй внутренней поверхности (38), вследствие чего уплотняющий элемент (39) будет по-прежнему удерживаться в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37).
Следует также отметить, что уплотняющий элемент (39) может иметь любую другую конструкцию и быть выполненным из любого другого материала. Например, уплотняющий элемент (39) может представлять собой тефлоновое Х-образное кольцо.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения боковое направление перпендикулярно осевому направлению. В другом примере боковое направление не перпендикулярно осевому направлению. Например, боковое направление может идти под углом 85° к осевому направлению.
Специалистам в данной области техники понятно, что уплотняющий элемент согласно настоящему изобретению может быть использован в любой сфере, где требуется уплотнение, особенно динамическое. Ниже описаны варианты реализации заявленного изобретения, в которых используется уплотнительное устройство в клапане.
На Фиг. 5 показано поперечное сечение одного из вариантов реализации клапана (50) согласно настоящему изобретению. Клапан (50) представляет собой направляющий клапан, который включает в себя диафрагму (51), установленную неподвижно между корпусом (52) клапана и крышкой (53) клапана; шток (31) клапана, соединенный с диафрагмой (51); камеру (54), расположенную с одной из сторон диафрагмы (51); седло (32) клапана, прикрепленное к корпусу (52) клапана, в котором проходное отверстие (57) клапана задано седлом (32) клапана; и прокладку (55) проходного отверстия клапана, которая смещается в направлении проходного отверстия (57) клапана с помощью смещающего элемента (56). Шток (31) клапана может перемещаться относительно седла (32) клапана для регулирования степени открытия проходного отверстия (57) клапана.
В частности, как показано на Фиг. 5, шток (31) клапана характеризуется наличием первой наружной поверхности (33), ориентированной в осевом направлении; второй наружной поверхности (35), ориентированной внутрь в боковом направлении относительно первой наружной поверхности (33); и третьей наружной поверхности (34), ориентированной в боковом направлении между первой наружной поверхностью (33) и второй наружной поверхностью (35). Седло (32) клапана характеризуется наличием первой внутренней поверхности (36), ориентированной в осевом направлении; второй внутренней поверхности (38), ориентированной внутрь в боковом направлении относительно первой внутренней поверхности (36); и третьей внутренней поверхности (37), ориентированной в боковом направлении между первой внутренней поверхностью (36) и второй внутренней поверхностью (38).
Как показано на Фиг. 5, в собранном состоянии уплотняющий элемент (39) располагается в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), за счет чего обеспечивается уплотнение. При установке обеспечивается зазор между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36), равно как и зазор между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38). Согласно примеру последовательности установки сначала прокладывается уплотняющий элемент (39), охватывающий вторую наружную поверхность (35) штока (31) клапана, после чего шток (31) клапана вместе с уплотняющим элементом (39) устанавливаются в седло (32) клапана.
Во время работы шток (31) клапана и седло (32) клапана могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении, поэтому размер зазора, образованного второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), изменяется соответствующим образом, но уплотняющий элемент (39) при этом по-прежнему удерживается в зазоре.
Клапан, содержащий уплотнительное устройство (30) по Фиг. 3 и 4, может характеризоваться одним или несколькими следующими преимуществами.
Так как штоку (31) клапана не требуется канавка для установки уплотняющего элемента, это упрощает процесс изготовления штока (31) клапана, за счет чего уменьшаются затраты на его обработку.
Кроме того, поскольку штоку (31) клапана не требуется канавка для установки уплотняющего элемента, это обеспечивает конструктивную целостность штока (31) клапана и продлевает срок его службы.
Кроме того, поскольку при установке обеспечивается зазор между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36), равно как между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38), давление текучей среды не может быть сброшено между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36) или между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38), даже в случае выхода из строя уплотняющего элемента (39). Величина протечки текучей среды между указанными поверхностями может быть задана путем регулирования зазора между первой наружной поверхностью (33) и первой внутренней поверхностью (36) или между второй наружной поверхностью (35) и второй внутренней поверхностью (38). Чем меньше зазор, тем меньше объем протечек.
Кроме того, уплотняющий элемент по Фиг. 1 выполнен с возможностью выхода из канавки (13), а уплотняющий элемент по Фиг. 2 проявляет тенденцию к выходу из канавки (23), когда первый элемент (21) перемещается вверх относительно второго элемента (22) на слишком большое расстояние. В сравнении с уплотняющим элементом по Фиг. 1 или 2 уплотняющий элемент (39) никогда не выйдет наружу, поскольку уплотняющий элемент (39) всегда удерживается в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37), во время перемещения штока (31) клапана и седла (32) клапана относительно друг друга.
Кроме того, клапан (50), содержащий уплотнительное устройство (30), характеризуется простотой сборки и обслуживания.
Кроме того, клапан (50), содержащий уплотнительное устройство (30), характеризуется меньшим перепадом давления.
На Фиг. 6 представлена кривая перепада давления в известном клапане. Как показано на чертеже, перепад давления составляет около 1 фунт/кв. дюйм изб. (фунт избыточного давления на квадратный дюйм), когда расход равен 130000 станд. куб. фут в час (стандартных кубических футов в час).
На Фиг. 7 представлена кривая перепада давления в клапане по Фиг. 5. Как показано на Фиг. 7, перепад давления составляет около 0,5 фунт/кв. дюйм изб. (фунтов избыточного давления на квадратный дюйм), когда расход равен 130000 станд. куб. фут в час (стандартных кубических футов в час), что на 50% меньше, чем в примере по фиг. 6. Причина этого заключается в том, что при перемещении штока (31) клапана вниз диаметр трения уплотняющего элемента (39) будет проходить по первой внутренней поверхности (36) седла (32) клапана, а при перемещении штока (31) клапана вверх уплотняющий элемент (39) будет перемещаться вверх вместе со штоком (31) клапана под толкающим воздействием текучей среды высокого давления или останется неподвижным, в результате чего диаметр трения уплотняющего элемента (39) будет проходить по штоку (31) клапана; таким образом, сила трения штока (31) клапана, перемещающегося вниз, будет выше силы трения штока (31) клапана, перемещающегося вверх.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) имеют цилиндрическую форму. Наружный диаметр первой наружной поверхности (33) превышает наружный диаметр второй наружной поверхности (35), а внутренний диаметр первой внутренней поверхности (36) больше внутреннего диаметра второй внутренней поверхности (38). Кроме того, в качестве уплотняющего элемента (39) использовано уплотнительное кольцо.
Следует отметить, что первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) могут иметь любую приемлемую форму. Например, первая наружная поверхность (33), вторая наружная поверхность (35), первая внутренняя поверхность (36) и вторая внутренняя поверхность (38) могут иметь квадратную, прямоугольную, овальную или иную форму. Наружный диаметр первой наружной поверхности (33) может быть меньше наружного диаметра второй наружной поверхности (35), а внутренний диаметр первой внутренней поверхности (36) может быть меньше, соответственно, внутреннего диаметра второй внутренней поверхности (38), вследствие чего уплотняющий элемент (39) будет по-прежнему удерживаться в зазоре, образованном второй наружной поверхностью (35), первой внутренней поверхностью (36), третьей наружной поверхностью (34) и третьей внутренней поверхностью (37).
Следует также отметить, что уплотняющий элемент (39) может иметь любую другую конструкцию и быть выполненным из любого другого материала. Например, уплотняющий элемент (39) может представлять собой тефлоновое Х-образное кольцо.
В одном из примеров осуществления настоящего изобретения боковое направление перпендикулярно осевому направлению. В другом примере боковое направление не перпендикулярно осевому направлению. Например, боковое направление может идти под углом 85° к осевому направлению.
Следует также отметить, что в варианте реализации заявленного изобретения по Фиг. 5 в качестве клапана использован направляющий клапан (50); при этом клапаном согласно настоящему изобретению может быть любой клапан, в котором требуется обеспечить уплотнение между штоком и седлом клапана, например главный клапан, соединенный с приводом.
Следует отметить, что представленные выше варианты осуществления настоящего изобретения носят исключительно описательный характер и никоим образом не ограничивают заявленное изобретение; при этом следует понимать, что в них могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от существа и объема настоящего изобретения, что очевидно любому специалисту в данной области техники. Такие модификации и изменения следует рассматривать как входящие в объем изобретения, а также в прилагаемую формулу изобретения. Объем притязаний настоящего изобретения задан прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, номера позиций, указанные в формуле изобретения, не должны трактоваться как ограничивающие формулу изобретения. Использование глаголов «содержит» и «включает», а также их производных не исключает наличия элементов или стадий, отличных от тех, которые указаны в пункте формулы изобретения. Наличие неопределенного артикля перед названием элемента или стадии не исключает множественности таких элементов или стадий.