ПРИВОД РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА
CONTROL VALVE ACTUATOR

Изобретение относится к области регулирования подачи различных газообразных и жидких сред в трубопроводных системах, а именно к подаче топлива в топливонасосных помещениях испытательных стендов авиадвигателей и их узлов.
Известно регулирующее исполнительное устройство (Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков. «Справочник конструктора трубопроводной арматуры», Ленинград, Машиностроение, 1987 г., стр.281, рис.3.58, стр.128…131, рис.2.92, 2.94…2.96), содержащее регулирующие клапаны, мембранные исполнительные механизмы, составные штоки, соединяющие плунжеры клапанов с мембранами исполнительных механизмов, уплотнения штока, размещенные в верхних крышках регулирующих клапанов и в нижних частях исполнительных механизмов, трубопроводы подачи управляющего давления к исполнительным механизмам (на рисунке не показаны), пружины.
В случае выполнения клапана в варианте «нормально закрыт» в начальный момент времени при отсутствии командного давления плунжер клапана прижат к седлу силой упругости пружины. При этом рабочая среда, подводимая к входу клапана, не пропускается через его затвор. При подаче командного давления в полость исполнительного механизма, расположенную под мембраной, появляется сила, стремящаяся сжать пружину и переместить шток вверх. Когда величина этой силы превысит сопротивление пружины и штока эластичная мембрана начнет прогибаться вверх, передвигая шток и отжимая плунжер клапана от седла. Рабочая среда проникает в зазоры между плунжером и седлом и подается потребителю.
Режим работы регулирующего клапана определяется либо температурой, либо давлением, либо соотношением компонентов в смесях. Поэтому контроль работы клапана осуществляется по сигналам или датчика температуры, или датчика давления, или сигнализатора концентрации. Величина управляющего давления может изменяться либо вручную оператором, либо автоматически по командам системы автоматизированного управления. Недостатком таких приводов клапанов является недолговечность мембран, которые быстро теряют герметичность, в результате чего нарушается работоспособность механизма управления клапаном. При наличии системы обратной связи и при использовании насадного варианта установки привода из-за негерметичности мембраны управляющая среда попадает в рабочую среду (авиационное топливо), что недопустимо по условиям проведения испытаний авиадвигателей и их узлов. Кроме того, такие клапаны требуют наличия герметичного уплотнения штока в верхней крышке клапана и в нижней части исполнительного механизма (при наличии обратной связи и в колонковом варианте установки привода). В связи с этим имеются большие силы трения, препятствующие перемещению штока и уменьшающие чувствительность системы управления клапаном. При этом часто нарушается плавность регулирования и шток перемещается рывками, не позволяя установить требуемые параметры с необходимой точностью. Такие регулирующие клапаны требуют постоянного контроля герметичности мембраны и уплотнений штока. Приходится часто производить работы по устранению негерметичности. Из-за недостатков нарушается точность проведения испытаний и возможны срывы испытаний при отказе привода.
Известно регулирующее исполнительное устройство для жидких и газообразных сред (Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков «Справочник конструктора трубопроводной арматуры», Ленинград, Машиностроение, 1987 г., стр.220…257, рис.3.2…3.31, стр.129, рис.2.93), содержащее регулирующие клапаны, электропривод, шток, соединяющий плунжер клапана с механизмом преобразования вращательного движения вала электропривода в поступательное движение штока клапана, уплотнение штока, размещенные в верхней крышке регулирующего клапана.
При включении электродвигателя привода вращательное движение от его вала передается через редуктор к механизму преобразования вращательного движения вала электропривода в поступательное движение штока клапана, в результате чего шток клапана перемещается на необходимую величину, открывая или закрывая клапан.
Недостатком этих клапанов является большой вес и габариты электропривода, необходимость прокладки в пожаро- и взрывоопасных топливонасосных помещениях электрических кабелей, установки электроарматуры, выключателей. Все это должно выполняться в пожаро- и взрывобезопаном исполнении и требует постоянного контроля исправности этого оборудования. Для выполнения этих работ необходимы высококвалифицированные специалисты. При этом влияние «человеческого фактора», часто являющегося причиной аварий и катастроф, на безопасность работы топливонасосной сильно возрастает. Кроме того, сильно увеличиваются эксплуатационные расходы на электроэнергию, на прокладку электросетей и на их оборудование, на обслуживание их высококвалифицированными специалистами, на ремонт и замену вышедших из строя элементов.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является регулирующий клапан с поршневым приводом (Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков «Справочник конструктора трубопроводной арматуры», Ленинград, Машиностроение, 1987 г., стр.265…268, рис.3.38…3.45), содержащий регулирующий клапан, поршневой исполнительный механизм, составные шток, содержащий плунжер регулирующего клапана с поршнем, уплотнения штока, трубопроводы подачи управляющего давления к исполнительным механизмам (на рисунке не показаны), пружины.
Этот клапан содержит регулирующий клапан двухседельный, поршневой исполнительный механизм, составной шток, соединяющий плунжеры клапана с поршнем исполнительного механизма, уплотнения штока, размещенные в верхней крышке регулирующего клапана и в нижней части исполнительного механизма, трубопровод подачи командного давления к исполнительному механизму (на рисунке не показан), пружину.
Такие клапаны требуют наличия герметичного уплотнения штока в верхней крышке клапана и в нижней части исполнительного механизма (при наличии обратной связи и колонковом варианте установки привода). В связи с этим имеются большие силы трения, препятствующие перемещению штока и уменьшающие чувствительность системы управления клапаном. При этом часто нарушается плавность регулирования и шток перемещается рывками, не позволяя установить требуемые параметры с необходимой точностью. Такие регулирующие клапаны требуют постоянного контроля герметичности уплотнения штока. Приходится часто производить работы по проверке герметичности и устранению негерметичности. Из-за этих недостатков невозможно произвести бесступенчатое регулирование подачи топлива на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов. В случае насадного варианта установки поршневого привода возможно проникновение среды управляющего давления в рабочую среду через уплотнение штока, что недопустимо по условиям проведения испытаний авиадвигателей и их узлов.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности и технологичности конструкции, в обеспечении малой инертности и высокой точности дистанционного непрерывного и бесступенчатого регулирования хода исполнительного механизма привода, в обеспечении возможности точного регулирования расхода топлива, необходимого для проведения испытаний авиадвигателей и их узлов, при оптимальном гидравлическом сопротивлении магистралей и обеспечении заданных показателей качества топлива.
Технический результат достигается тем, что привод регулирующего клапана, который размещен на корпусе клапана, содержит цилиндр, поршень, шток и пружину, причем привод снабжен гидравлическим регулятором с нерегулируемым и регулируемым соплами, регулирующей иглой, установленной в сильфоне в закрытом корпусе, закрепленным на дренажной камере, соединенной с гидравлическим регулятором. Полости высокого и низкого давления регулятора соединены трубопроводами с верхней входной полостью клапана и верхней полостью цилиндра, а нижняя полость цилиндра и дренажной камеры соединены со сливом трубопроводами слива. Внутренняя полость сильфона соединена с полостью дренажной камеры и трубопроводом слива. Внутренняя полость корпуса сильфона через патрубок соединена с источником управляющего давления.
Предлагаемый привод регулирующего клапана схематически изображен на фиг.1 в варианте его работы с двухседельным регулирующим клапаном, на фиг.2 - в варианте его работы с односедельным регулирующим клапаном, на фиг.3 - в варианте его работы с задвижкой, на фиг.4 - в варианте его работы с поворотной заслонкой.
Привод регулирующего клапана состоит из цилиндра 1, устанавливаемого на клапан, поршня 2, штока 3, пружины 4, гидравлического регулятора 5 с регулируемым 6 и нерегулируемым 7 соплами, иглы 8, сильфона 9, корпуса 10 сильфона, дренажной камеры 11, трубопровода 12 подачи рабочего тела от регулирующего клапана к гидравлическому регулятору 5, трубопровода 13 подачи рабочего тела от гидравлического регулятора 5 к цилиндру 1, трубопровода 14 слива из цилиндра 1, трубопровода 15 слива из дренажной камеры 11, патрубка 16 подвода управляющего давления. При установке привода на регулирующий клапан, имеющий поворотный запорный орган, в конструкцию включается механизм 17 (фиг.4) преобразования поступательного движения штока 3 во вращательное движение запорного органа клапана.
Привод регулирующего клапана работает следующим образом.
В начальный момент времени регулирующий клапан закрыт, так как отсутствует управляющее давление в патрубке 16. При этом игла 8 открывает регулируемое сопло 6 и рабочая среда, поступающая по трубопроводу 12 в гидравлический регулятор 5, сбрасывается через сопло 6 в дренажную камеру 11 и далее по трубопроводу 15 соответственно на слив. Пружина 4 удерживает поршень 2 в верхнем положении. Диаметр поршня зависит от величины усилия, необходимого для открытия запорного органа клапана, а высота поршня - от величины потребного хода штока 3 и от высоты пружины 4.
При подаче управляющего давления в патрубок 16 происходит сжатие сильфона 9 от перепада давлений в корпусе 10 сильфона и в дренажной камере 11. При этом игла 8 прикрывает сечение регулируемого сопла 6. Это приводит к росту давления рабочего тела в гидравлическом регуляторе 5, в трубопроводе 13 и в верхней полости цилиндра 1. За счет увеличения перепада давления, действующего на поршень 2, происходит увеличение силы, сжимающей пружину 4. Когда эта сила становится больше силы сжатия пружины 4, силы трения штока 3 и сил сопротивления запорного органа клапана, поршень 2 начнет перемещаться вниз, сжимая пружину 4 и перемещением штока 3 открывая запорные органы регулирующего клапана. Регулирующий клапан открывается и начинает перепускать рабочую среду в выходной трубопровод (не показан). Все утечки рабочей среды в нижнюю часть цилиндра 1 через уплотнение штока 3 и через уплотнение поршня 2 удаляются по трубопроводу 14 в дренаж. Это позволяет поддерживать максимальный перепад давления на поршне 2 и не предъявлять жестких требований к герметичности уплотнений штока 3 и поршня 2, что уменьшает сопротивление перемещениям штока 3 и поршня 2 и увеличивает чувствительность поршневого исполнительного механизма к изменениям управляющего давления.
Снижение требований к герметичности уплотнений ведет к уменьшению затрат при эксплуатации регулирующего клапана с таким приводом. При этом также исключается возможность утечки рабочей среды во внешнюю среду.
Небольшая величина усилия, действующая на иглу 8, и небольшой ход иглы позволяют использовать небольшой по размерам сильфон 9 и обеспечивать его длительный ресурс (до 25 лет), что дополнительно снижает эксплуатационные расходы и повышает надежность привода.
Конструкция предлагаемого привода регулирующего клапана исключает возможность попадания среды управляющего давления в рабочую среду, что гарантирует обеспечение заданных показателей качества топлива, подаваемого на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов и предотвращает нарушение работы топливной аппаратуры.