КЛАПАН САМОДЕЙСТВУЮЩИЙ
AUTOMATIC VALVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится, преимущественно, к компрессоростроению и может быть использовано в конструкциях поршневых компрессоров, пневмодвигателей, вакуумных насосов и других машин.
Уровень техники
Основными частями всех самодействующих клапанов являются седло с проходными каналами для газовой среды, перекрывающие каналы седла запорные органы и ограничитель подъема последних с каналами для выхода газовой среды.
В большей части известных самодействующих клапанов каналы седла и ограничителя подъема выполнены в виде концентричных рядов круглых отверстий или кольцевых концентричных проточек, разделенных на части радиальными перемычками (см., например, патент SU 1060856, МПК: F16K 15/08, опубл. 15.12.83 г.; патент US 4483363, МПК: F16K 15/08, опубл. 20.11.84 г., патент ЕР 1972840, МПК: F16K 15/08, опубл. 06.03.2008, патент SU 1255791, МПК: F16K 15/02, опубл. 07.09.86 г.; Каталог-справочник: клапаны самодействующие поршневых компрессоров. М.: ЦНИТИ, 1968 г., с. 10).
Выполнение выходных каналов в виде кольцевых проточек создает наиболее благоприятные условия для выхода газа в клапанах с кольцевыми запорными органами, т.к. в этом случае каналы ограничителя повторяют форму каналов седла и запорных органов и расположены непосредственно на пути выходящих газовых потоков по всему периметру запорного органа.
В тарельчатых клапанах, в которых запорные органы выполнены в виде совокупности грибковых, тарельчатых или иных точечных запорных элементов в виде тел вращения, подобное решение каналов ограничителя не позволяет добиться тех же результатов в силу большого различия форм входных и выходных каналов, а также их взаимного расположения.
Чем больше смещение выходных каналов относительно входных, тем больше турбулентность потоков и риск возникновения вибраций клапана, отрицательно сказывающихся на работе компрессора в целом.
Известен тарельчатый клапан, содержащий седло и ограничитель подъема с каналами для прохода газа и запорные элементы в виде грибков (см. патент SU 953322, МПК: F16K 15/10, опубл. 23.08.82). С целью снижения сопротивления выходящему потоку газовой среды каналы ограничителя подъема в поперечном сечении имеют форму кольца, концентричного соответствующему входному каналу в седле и разделенного посредством двух перемычек.
В упомянутом решении каналы ограничителя располагаются непосредственно над краем запорного элемента, охватывая его практически по всему периметру, что обеспечивает беспрепятственное прямолинейное перемещение выходящих из-под запорного элемента газовых потоков. Недостатком такой конструкции является низкая эффективность использования полезной площади клапана, что обусловлено необходимостью увеличения расстояния между запорными элементами для возможности упомянутого размещения выходных каналов.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения принят клапан самодействующий для поршневого компрессора, конструкция которого раскрыта в патенте Германии DE 1173299, МПК: F16K 15/08, опубл. 02.07.64.
Упомянутый клапан содержит седло с проходными каналами, поджатые к седлу запорные элементы в виде тел вращения и ограничитель подъема с проточками для размещения запорных элементов и каналами для прохода газов в виде расположенных концентричными рядами отверстий.
В этом решении все каналы ограничителя выполнены в виде обычных круглых отверстий, каждое из которых сообщено с одной проточкой для размещения запорного элемента. Проходящий через канал седла поток, обтекающий запорный элемент, может выйти через одно из трех отверстий, сообщенных с проточкой, в которой этот элемент установлен.
Несмотря на увеличение количества проходных отверстий, приходящихся на один запорный элемент, в упомянутом клапане имеют место существенные потери из-за большого гидродинамического сопротивления, обусловленного малым проходным сечением отверстий. При этом возможности улучшения условий протекания газов за счет расширения выходных каналов существенно ограничены использованием для их организации круглых отверстий, существенное увеличение диаметра которых невозможно без снижения коэффициента использования площади клапана.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое техническое решение касается конструкции клапанов, в которых каналы седла, а значит и запорные элементы размещены концентричными рядами.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение аэродинамических характеристик клапана при наиболее полном использовании его площади.
Поставленная техническая задача решена благодаря тому, что в конструкции клапана самодействующего, содержащего седло с проходными каналами, поджатые к седлу запорные элементы в виде тел вращения и ограничитель подъема с проточками для размещения запорных элементов и каналами для прохода газов, образованными расположенными концентричными рядами отверстиями, согласно заявляемому изобретению, каналы ограничителя подъема образованы чередующимися между собой рядами радиально вытянутых отверстий и отверстий в форме кольцевых секторов, при этом с каждой проточкой для размещения запорного элемента сообщено два радиально вытянутых отверстия и как минимум одно отверстие в форме кольцевого сектора.
Отличием предлагаемого клапана от ближайшего и других известных аналогов является конструктивное решение выходных каналов ограничителя подъема: их форма и расположение относительно запорных элементов, что обеспечивает получение совокупности положительных технических результатов:
- возможность более плотного размещения запорных элементов, что в итоге способствует повышению пропускной способности клапана;
- снижение сопротивления протекающему потоку газа и риска образования завихрений;
- облегчение прохождения через каналы твердых примесей, что исключает их засорение и повышает надежность работы клапана в условиях сильной загрязненности рабочей среды.
В предлагаемом клапане для формирования каналов ограничителя подъема использованы отверстия двух видов: радиально вытянутые и в форме кольцевых секторов, при этом ряды упомянутых отверстий чередуются между собой.
С каждой проточкой для размещения запорного элемента сообщено как минимум три канала (отверстия) ограничителя.
Вытянутая форма отверстий способствует существенному увеличению проходного сечения каналов ограничителя, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление выходящим потокам и снизить риск образования завихрений, а также существенно облегчает прохождение через каналы твердых примесей, содержащихся в перемещаемой рабочей среде, что положительно сказывается на надежности работы и долговечности клапана.
При этом чередование отверстий и их расположение относительно запорных элементов обеспечивает возможность увеличения проходных сечений выходных отверстий без снижения коэффициента использования площади клапана.
Таким образом, размещение выходных отверстий в совокупности с их формой позволяет максимально уменьшить мертвый объем клапана и увеличить общее проходное сечение клапана за счет возможности более плотного размещения запорных элементов (а значит и входных каналов), минимальное расстояние между которыми в этом случае ограничивается лишь технологически факторами.
В предпочтительных случаях реализации изобретения радиально вытянутые отверстия, все или частично, могут быть выполнены с расширением, направленным от центра к периферии клапана, что позволяет дополнительно расширить проходные каналы и облегчить проход газов.
С той же целью каналы ограничителя подъема могут быть выполнены диффузорными.
Часть радиально вытянутых отверстий может быть сообщена с отверстиями в форме кольцевых секторов, что способствует дополнительному снижению сопротивления выходящим потокам.
В конкретном примере реализации предлагаемого клапана запорные органы выполнены с цилиндрической боковой направляющей поверхностью и сферической нижней опорной поверхностью. Обтекаемая форма опорной поверхности обеспечивает плотность запирания канала седла и способствует плавному истечению проходящих газов, что повышает аэродинамические показатели клапана. Цилиндрическая боковая поверхность запорного элемента обеспечивает направленность его перемещения в проточке ограничителя подъема и исключает его перекос.
Упомянутая форма запорных элементов является предпочтительным частным случаем исполнения предлагаемого клапана и не исключает возможности использования в нем запорных элементов другой формы, например в виде полусферы или сферы.
Запорные элементы могут быть поджаты к седлу посредством пружин.
Более предпочтительным является использование для поджатия запорных элементов пары постоянных магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Один из магнитов устанавливают в запорном элементе, а второй - в проточке ограничителя подъема, где размещен запорный элемент. Использование постоянных магнитов позволяет существенно повысить надежность и ресурс работы клапана по сравнению с клапанами, в которых используют пружины, т.к. последние слишком чувствительны к агрессивным факторам рабочей среды и подвержены водородному охрупчиванию.
Предпочтительной является установка сменной втулки в канале седла со стороны запорного элемента. Втулка в этом случае формирует посадочную поверхность для запорного элемента и при необходимости может быть заменена.
Краткое описание чертежей
Возможность промышленной осуществимости подтверждается приведенным примером, иллюстрированным чертежами, на которых изображены:
На фиг. 1 - клапан, пример 1, вид в плане со стороны ограничителя подъема;
На фиг. 2 - клапан, пример 2, изометрия, с частичным сечением;
На фиг. 3 - вид А с фиг. 2, вид со стороны седла;
На фиг. 4 - вид В с фиг. 2, вид со стороны ограничителя подъема;
На фиг. 5 - показан ограничитель подъема, реализующий общий принцип исполнения.
Осуществление изобретения
Клапан самодействующий содержит (см. фиг. 1, 2) седло 1 с проходными каналами 2, запорные элементы 3, размещенные в проточках 4 ограничителя подъема 5, проходные каналы которого образованы чередующимися между собой концентричными рядами радиально вытянутых отверстий 6 и отверстий в форме кольцевых секторов 7.
Каждый ряд радиально вытянутых отверстий 6 расположен в плане над кольцевым рядом запорных элементов 3, при этом каждое из отверстий 6 расположено над двумя соседними запорными элементами ряда и сообщено с проточками 4, в которых они размещены.
Ряд кольцевых секторов 7 размещен между рядами запорных элементов 3 и сообщен сразу с несколькими проточками соседних рядов.
С каждой проточкой 4 ограничителя 5 сообщено как минимум три канала: два радиальных отверстия 6 и хотя бы один кольцевой сектор 7.
Запорные элементы 3 выполнены в виде тел вращения, например в виде уплощенных цилиндров со сферической нижней опорной поверхностью, обеспечивающей их плотную посадку в канале 2 седла 1 (см. фиг. 2, 3). Цилиндрическая боковая поверхность элементов 3 является направляющей и обеспечивает возможность их осевого перемещения в проточках 4 ограничителя подъема 5. Протяженность цилиндрической поверхности исключает возможность перекоса запорного элемента 3 в проточке 4 в процессе движения.
Запорные элементы 3 поджаты к седлу 1 посредством пары постоянных магнитов 8 и 9, обращенных друг к другу одноименными полюсами, установленных в ограничителе подъема 5 и в запорном элементе 3, соответственно. При этом приведенный пример не исключает возможности использования с той же целью пружин.
Во входном канале 2 седла 1 со стороны запорного элемента 3 может быть установлена сменная втулка ( не показана), образующая для него посадочную поверхность.
В процессе работы клапана газ (воздух) поступает по каналам 2 седла 1, проходит между седлом 1 и запорными элементами 3, поднятыми в проточках 4 ограничителя подъема 5. Сферическая поверхность запорного элемента 3 способствует плавности движения потока и его направлению, по существу по прямолинейной траектории, в отверстия 6 и 7 ограничителя подъема 5, проходя по которым газовые потоки удаляются из клапана.
Большое проходное сечение и форма отверстий 6 и 7 ограничителя способствует беспрепятственному прохождению газовой среды, в том числе загрязненной твердыми примесями.
Форма отверстий 6 и 7, их чередование и расположение относительно запорных элементов способствует плотности размещения запорных элементов и минимальности мертвого пространства за счет частичного перекрытия (наложения в проекции) выходных и входных каналов.
Для простоты и наглядности в обоих приведенных на фиг. 1 и 2 примерах показано всего по два кольцевых ряда запорных элементов, однако их может быть три и более.
Проточки внутреннего ряда запорных элементов, во всех примерах, сообщены с тремя отверстиями ограничителя подъема - тремя выходными каналами.
Проточки последующих рядов могут быть сообщены уже с четырьмя выходными каналами ограничителя, см. фиг. 1 и фиг. 5, на которой показан общий случай выполнения ограничителя подъема 5, согласно заявляемому изобретению.
В приведенном на фиг. 1 примере клапана функции внешнего ряда кольцевых секторов 7' (с фиг. 5) выполняет кольцевой зазор 10, сформированный между седлом 1 и ограничителем подъема 5.
На фиг. 4 внешний ряд радиально вытянутых отверстий 6' выполнен с расширением, направленным от центра к периферии клапана. Расширение может быть линейным и нелинейным, например, как показано на фиг. 4.
По сути, в этом случае выходные отверстия внешнего ряда ограничителя подъема представляют собой комбинированное отверстие, совмещающее функции радиально вытянутых отверстий и отверстий, вытянутых по кольцу.
С расширением может быть выполнен только один ряд либо несколько или все ряды радиально вытянутых отверстий 6.
Для улучшения прохождения газов каналы, т.е. отверстия 6 и 7 ограничителя подъема 5, могут быть выполнены диффузорными.
С этой же целью часть радиально вытянутых отверстий 6 может быть сообщена с отверстиями 7 в форме кольцевых секторов.
К достоинствам клапана можно отнести простоту и технологичность изготовления, ремонтопригодность, высокую производительность и надежность, большой ресурс работы как запорных элементов в отдельности, так и клапана в целом.