ОБРАТНЫЙ КЛАПАН
BACK PRESSURE VALVE

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано в пневматических системах высокого давления для предотвращения движения в обратном направлении рабочей среды.
Существует большое количество конструкций обратных клапанов (А.с. СССР 1560860, F16K 15/14, опубл. 30.04.90. Бюл. №16, А.с. СССР 1214966, F16K 15/14, опубл. 28.02.86. Бюл. №8 и др.), в которых для предотвращения движения рабочей среды в обратном направлении используются эластичные уплотнители.
Известен обратный клапан с подвижным опорным элементом, выполненным в виде диска (патент RU 2097638, F16K 15/14, опубл. 27.11.1997. Бюл. №33), выбранный в качестве аналога. Данный обратный клапан содержит корпус с подводящим каналом. На торцах корпуса выполнены фиксаторы, предотвращающие осевое смещение эластичного запорного элемента, установленного на уплотняемой поверхности корпуса с натягом. В подводящем канале установлен опорный элемент, выполненный, например, в виде опорного диска с направляющими. Направляющие служат ограничителями нижнего перемещения диска при закрытии клапана, фиксируя диск в таком положении, чтобы его опорная поверхность предотвращала прогиб эластичного запорного элемента в отверстие на поверхности корпуса.
Недостатком известного клапана является низкая устойчивость к высоким импульсным нагрузкам со стороны подводящего канала, так как под воздействием импульса возникает вероятность прорыва опорным элементом эластичного запорного элемента. Также использование в конструкции эластичного запорного элемента не позволяет применять данный обратный клапан для герметизации высоких давлений в условиях высоких температур.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является обратный клапан (А.с. СССР 1250761, МПК F16K 15/14, опубл. 15.08.1986. Бюл. №30), содержащий разъемный корпус с входным и выходным каналами, эластичную мембрану, разделяющую входную и выходную полости, седло, выполненное во входном канале корпуса, и упор, размещенный в выходной полости соосно с седлом. В мембране выполнены проходные каналы, равномерно расположенные на диаметре, большем диаметра упора, и прорезь, соединяющая проходные каналы с выходной полостью при открытом положении клапана. Клапан обладает высокой надежностью при работе в нормальных условиях при низких давлениях.
2
Недостатком известного клапана является большое время срабатывания и потеря работоспособности при высоких давлениях (≈2000 кгс/см) и температурах (≈300°С), так как эластичная мембрана не обладает необходимой для этого прочностью. При этом мембрана выполняет функцию чувствительного элемента и запорного элемента, что увеличивает время срабатывания клапана. Применение более прочного (менее эластичного) материала в данной конструкции может привести к еще большему увеличению времени срабатывания или к отказам в работе клапана даже при меньших давлениях и температурах.
Задачей настоящего изобретения является увеличение рабочих температур и давлений с одновременным уменьшением времени срабатывания.
При использовании изобретения достигается следующий технический результат:
- расширение функциональных возможностей клапана за счет увеличения диапазона рабочих температур и давлений;
2
- обеспечение работоспособности клапана при давлениях до 2000 кгс/см и температурах до 300°С;
- увеличение стойкости к динамическим нагрузкам;
- увеличение надежности работы клапана;
- сокращение времени срабатывания клапана.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется обратный клапан, содержащий корпус с входным каналом, крышку с выходным каналом и проходные каналы, сообщенные с выходным каналом, мембрану, установленную между корпусом и крышкой, во входном канале корпуса выполнено седло, а в крышке - упор, в котором согласно заявляемому изобретению в корпусе на седле установлен запорный элемент, контактирующий с мембраной, проходные каналы выполнены в крышке, на внутренних поверхностях корпуса и крышки выполнены кольцевые выступы, расположенные на разных диаметрах, с которыми контактирует мембрана. Мембрана и запорный элемент могут быть выполнены из пластичного металла.
Наличие запорного элемента положительно влияет на повышение надежности герметизации, что, в свою очередь, позволяет увеличить рабочие давления клапана. Кольцевые выступы, выполненные на внутренних поверхностях корпуса и крышки и расположенные на разных диаметрах, обеспечивают необходимые перемещения мембраны и запорного элемента для протекания рабочей среды в направлении открытия клапана. По внешнему диаметру мембрана прижимается крышкой к корпусу, а в местах контакта с кольцевыми выступами она деформируется и прижимает запорный элемент к седлу. Упор в крышке клапана, выполненный в виде проточки, ограничивает деформацию мембраны и запорного элемента, что увеличивает их стойкость к воздействию динамических нагрузок. Сокращение времени срабатывания достигается за счет уменьшения перемещений мембраны и запорного элемента и уменьшения их массы. Выполнение мембраны и запорного элемента из пластичного металла позволяет использовать настоящий обратный клапан для работы при высоких температуре и давлении в агрессивных средах, что расширяет функциональные возможности клапана.
На фигуре представлена схема заявляемого обратного клапана.
Обратный клапан состоит из корпуса 1 с входным каналом 2 и крышки 3 с выходным каналом 4. Во входном канале 2 выполнено седло 5, на которое опирается запорный элемент 6. Мембрана 7 прижимается крышкой 3 к корпусу 1. На внутренних поверхностях корпуса 1 и крышки 3 выполнены кольцевые выступы 8 и 9 соответственно, расположенные на разных диаметрах. Мембрана 7, деформируясь на кольцевых выступах 8 и 9, прижимает запорный элемент 6 к седлу 5. Для протекания рабочей среды в крышке клапана выполнены проходные каналы 10, соединяющиеся с выходным каналом 4. На внутренней поверхности крышки 3 выполнен упор 11 в виде кольцевой проточки, с которым взаимодействует мембрана в процессе работы клапана. Материал запорного элемента 6 и мембраны 7, а также ее толщина выбираются от условий работы клапана (температура, давление, величина импульсных нагрузок). Седло 5 может иметь различные варианты исполнения, зависящие от материала запорного элемента 6. Например, если запорный элемент 6 выполнен из пластичного металла, седло 5 может быть выполнено в виде острой кромки.
Обратный клапан работает следующим образом.
Под воздействием давления рабочей среды при подаче последней через входной канал 2 запорный элемент 6 отходит от седла 5, а мембрана 7 отходит от кольцевого выступа 8, в результате чего обеспечивается проход потока рабочей среды через проходные каналы 10 к выходному каналу 4, что соответствует открытому положению клапана. При этом кольцевой выступ 9 в крышке 3 и упор 11 ограничивают перемещения мембраны 7 и запорного элемента 6, что увеличивает стойкость к воздействию динамических нагрузок и уменьшает время срабатывания.
Закрытие клапана происходит от импульса давления рабочей среды, под воздействием которого мембрана 7 уплотняется на кольцевом выступе 8, при этом на мембране 7 создается перепад давления. Под действием возникшего перепада давления мембрана прогибается и создает усилие на запорный элемент 6. Под воздействием созданного мембраной 7 усилия запорный элемент 6 взаимодействует с седлом 5 и клапан окончательно закрывается. Дальнейшее повышение давления будет только увеличивать усилие на запорный элемент 6, что повышает надежность клапана. Выполнение мембраны и запорного элемента из пластичного металла обеспечивает герметичность клапана при высоких давлении и температуре.
2
Конкретная конструкция клапана содержит крышку и корпус из стали, запорный элемент выполнен из алюминия марки А5. Данная конструкция клапана была выполнена в трех вариантах: проверялась на работоспособность давлением водорода с мембранами различного материала (сталь 12Х18Н10Т, медь марки M1 и алюминий марки А5) и толщины (0,1 и 0,2 мм). В процессе экспериментальной отработки подтверждена работоспособность клапана при давлении водорода ≈2000 кгс/см и температуре ≈150-200°С.