ГИБРИДНЫЙ ШАРОВОЙ КРАН-ТРАНСФОРМЕР
HYBRID BALL VALVE TRANSFORMER

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к трубопроводной арматуре, а именно - к кранам с поворотными пробками, имеющими сферическую поверхность.
Устройство может быть использовано для регулирования и перекрытия потока высокотемпературной рабочей среды с содержанием твердых включений, транспортируемой по трубопроводам технологических систем в газовой, нефтяной, химической и угольной отраслях промышленности.
Известен шаровой кран, содержащий корпус со сквозным отверстием, разъемно соединенный с входным и выходным патрубками, прикрепленными средствами соединения к трубопроводной магистрали, причем в сквозном отверстии в корпусе размещена шаровая пробка с центральным проходным отверстием, сообщенным в открытом положении крана с указанными патрубками и, сопряженная с подвижным и неподвижным кольцевыми металлическими уплотнениями с возможностью поворота посредством размещенного в корпусе механизма регулировки, снабженного шпинделем с рукояткой, при этом кран снабжен винтовым средством перемещения подвижного кольцевого уплотнения, а оси шпинделя и винта расположены под углом друг к другу (патент РФ RU 137590, МПК F16K 5/06, опубликовано: 20.02.2014 г.).
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату, поэтому принято за прототип.
Недостатками прототипа являются ограниченный срок службы крана из-за повышенного износа шаровой пробки и ее уплотнений вследствие попадания в их сопряжения абразивных веществ и увеличенных усилий для управления краном.
Кроме того, известное решение обладает ограниченными эксплуатационными возможностями из-за невозможности изменять геометрию крана для его приспособления в точках пересечения трубопроводов под разными углами.
Технический результат от использования заявленного технического решения заключается в увеличении срока службы вследствие снижения износа трущихся деталей путем ограничения попадания на них абразивных веществ и усилий пробки и расширение эксплуатационных возможностей за счет изменения конфигурации крана.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь изобретения с указанным техническим результатом.
Гибридный шаровой кран-трансформер содержит корпус со сквозным отверстием, разъемно соединенный с входным и выходным патрубками, прикрепленными средствами соединения к трубопроводной магистрали. В сквозном отверстии в корпусе размещена шаровая пробка с центральным проходным отверстием, сообщенным в открытом положении крана с указанными патрубками и, сопряженная с подвижным и неподвижным кольцевыми металлическими уплотнениями с возможностью поворота посредством размещенного в корпусе механизма регулировки, снабженного шпинделем с рукояткой. Кран снабжен винтовым средством перемещения подвижного кольцевого уплотнения, а оси шпинделя и винта расположены под углом друг к другу. Каждый из указанных патрубков прикреплен к фланцу, выполненному на корпусе посредством своего внутреннего фланца, выполненного на каждом патрубке с возможностью обеспечения пересечения под углом α=20°-45° оси фланца и оси упомянутого сквозного отверстия в корпусе. Внутренний фланец каждого патрубка и фланец корпуса соединены между собой резьбовыми элементами, пропущенными в отверстия, выполненные по периметру фланцев на равномерно расположенных под углом β=30°-90° друг к другу осях симметрии фланцев в плоскости их прилегания с возможностью перестановки патрубков в независимые друг от друга фиксированные положения. Средство перемещения подвижного кольцевого уплотнения размещено во входном патрубке, Винт средства снабжен рукояткой, расположен соосно сквозному отверстию в корпусе и имеет на своем свободном конце шарнирно соединенный с ним перфорированный диск, на торце которого отформовано указанное подвижное кольцевое уплотнение, размещенное в кольцевой проточке, выполненной во входном патрубке, с возможностью осевого перемещения перфорированного диска на величину, обеспечивающую свободный поворот шаровой пробки. Суммарная площадь отверстий в перфорированном диске составляет 0,5-0,9 площади поперечного сечения сквозного отверстия в шаровой пробке в зависимости от плотности и состава транспортируемой рабочей среды, а неподвижное кольцевое уплотнение размещено в кольцевой проточке в выходном патрубке. Указанные средства соединения с трубопроводной магистралью могут быть выполнены в виде фланцевого соединения. Плоскости фланцев входного и выходного патрубков могут быть параллельны друг другу или расположены под углом Y. не превышающим 90° в сторону, противоположную рукояткам шпинделя и винта. Указанные средства соединения с трубопроводной магистралью могут быть выполнены в виде муфтового соединения, в виде цапкового соединения, в виде штуцерного соединения или в виде сварного соединения. Отверстия в перфорированном диске могут быть выполнены увеличивающегося размера от его центра к периферии в виде круга, замкнутой криволинейной геометрической фигуры или могут быть образованы посредством продольных перемычек в нем.
Устройство иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез крана с угловым расположением входного и выходного патрубков; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - вариант средства соединения крана угловой геометрии с трубопроводной системой; на фиг. 5 - частичный разрез на фиг. 4; на фиг. 6 - вид сверху на кран с продольным расположение входного и выходного патрубков; на фиг. 7 - вид В на фиг. 2 на перфорированный диск; на фиг. 8 - то же, что и на фиг. 7. вариант конструкции перфорированного диска; на фиг. 9 - то же, что и на фиг. 7, вариант конструкции перфорированного диска; на фиг. 10 - угловая компоновка крана; на фиг. 11 - угловая компоновка крана; на фиг. 12 - линейная компоновка крана, вариант; на фиг. 13 - кран с линейной компоновкой, прямоугольный фланец.
Гибридный шаровой кран-трансформер содержит корпус 1 со сквозным отверстием, разъемно соединенный с входным 2 и выходным 3 патрубками, прикрепленными средствами соединения к трубопроводной магистрали 4, например, муфтами 5.
В сквозном отверстии в корпусе 1 размещена шаровая пробка 6 с центральным проходным отверстием, сообщенным в открытом положении крана с указанными патрубками 2 и 3 и, сопряженная с подвижным 7 и неподвижным 8 кольцевыми металлическими уплотнениями с возможностью поворота посредством размещенного в корпусе 1 механизма регулировки и снабженного шпинделем 9 с рукояткой 10.
1
Каждый из указанных патрубков 2 и 3 прикреплен к соответствующему фланцу 11 или 12, выполненному на корпусе, 1 посредством своих внутренних фланцев 13 или 14, образованных на каждом патрубке 2 или 3, с возможностью обеспечения пересечения оси патрубка и оси упомянутого сквозного отверстия в корпусе под углом α=20°-45° (фиг. 5), т.е угол между осями патрубков 2 и 3 α=180°-2α (фиг. 1).
Внутренний фланец 13 или 14 каждого патрубка 2 или 3 и, соответствующий ему фланец 11 или 12 корпуса 1 соединены между собой резьбовыми элементами 15, пропущенными в отверстия 16, расположенные по периметру фланцев 11, 12, 13, 14 на равномерно расположенных под углом β=30°-90° (фиг. 10 - фиг. 13) друг к другу осях симметрии фланцев в плоскости их прилегания с возможностью перестановки патрубков в независимые друг от друга фиксированные положения.
Средство перемещения подвижного кольцевого уплотнения 7 размещено во входном патрубке 2 и имеет винт 17 с рукояткой 18, расположенный соосно сквозному отверстию в корпусе 1, при этом оси винта 17 и шпинделя 5 расположены под прямым углом друг к другу.
Винт 17 имеет на своем свободном конце шарнирно соединенный с ним перфорированный диск 19, на торце которого отформовано указанное подвижное кольцевое уплотнение 7, размещенное в кольцевой проточке, выполненной во входном патрубке 2, с возможностью осевого перемещения перфорированного диска 19 на величину, обеспечивающую свободный поворот шаровой пробки 6.
Суммарная площадь отверстий в перфорированном диске 19 составляет 0,5-0,9 площади поперечного сечения сквозного отверстия в шаровой пробке 6 в зависимости от плотности и состава транспортируемой рабочей среды.
Неподвижное кольцевое уплотнение 8 размещено в кольцевой проточке в выходном патрубке 3.
Указанные средства соединения с трубопроводной магистралью 4 могут быть выполнены в виде наружных фланцев 20 и 21.
Плоскости L и N наружных фланцев 20 и 21 входного 2 и выходного 3 патрубков могут быть параллельны друг другу (фиг. 6) или расположены под углом Y (фиг. 5), не превышающим 90° в сторону, противоположную рукояткам 10 и 18 шпинделя 9 и винта 17.
Кроме того, указанные средства соединения с трубопроводной магистралью 4 могут быть выполнены в виде: муфтового; цапкового; штуцерного или в виде сварного соединений (не показано).
Отверстия в перфорированном диске 19 могут быть выполнены в виде круга 22 увеличивающегося размера от его центра к периферии (фиг. 7) или в виде замкнутой криволинейной геометрической фигуры 23 (фиг. 9) или отверстия 24 могут быть образованы посредством продольных перемычек 25 в нем.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения. Т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии изобретения указано его назначение, оно может быть осуществлено промышленным способом для запорно-регулирующих операций в трубопроводах, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки, приведенные в формуле изобретения устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в патенте RU 137590, ставшим общедоступным до даты приоритета изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а в выявленных таких решениях не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат.
Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат - увеличение срока службы и расширение эксплуатационных возможностей.
Следовательно, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
В качестве примера осуществления гибридного шарового крана-трансформера ниже приведен варианта воплощения, представленный на фиг. 4, фиг. 6. Устройство по фиг. 4, фиг. 6 работает следующим образом.
В открытом положении в шаровом кране ось проходного отверстия в шаровой пробке 6 совпадает с осью кольцевых уплотнений 7 и 8.
Поток рабочей среды из трубопровода попадает через отверстие во внешнем фланце 20 в патрубок 2, меняет направление движения и затем через внутренний фланец 13 через перфорированные отверстия 22 (23 или 24) в диске 19, проходное отверстие в шаровой пробке 6, отверстие во внутреннем фланце 14 попадает в патрубок 3, где меняет направление движения и снова попадает в трубопровод.
В этом положении пробка 6 зафиксирована от поворота винтом 17 с помощью вращения его рукоятки 18 между металлическим кольцевыми уплотнениями 7 и 8 посредством перфорированного диска 19.
Перфорированный диск 19 выполнен с отверстиями 22 или 23 или 24, поскольку выполняет функции запорно-регулирующего, поэтому указанные отверстия позволяют получить требуемую расходную характеристику.
В предложенной конструкции размер и расположение отверстий 22 (23, 24) позволяют это достичь и за счет формы отверстий или прорезей в диске можно получить линейную или пропорциональную расходную характеристику.
Винт 17 фиксирует шаровую пробку 6 в любом требуемом положении: «открыто», «закрыто» или промежуточном.
За счет усилия, создаваемого винтом 17, между сферической поверхностью шаровой пробки 6 и кольцевым уплотнением 8 отсутствует зазор, в результате чего твердые включения, содержащиеся в рабочей среде, не могут повредить уплотнительную поверхность между пробкой 6 и кольцевым уплотнением 8, которое, в свою очередь уплотнено относительно патрубка 3 прокладкой 26.
Герметичность шарового крана относительно внешней среды обеспечивается сальниковым уплотнением 27 и 28, прокладками 29, которыми патрубки 2 и 3 уплотнены относительно корпуса 1.
Прокладки 29 и сальниковые уплотнения 27 и 28 изготовлены из термостойких материалов, например, терморасширенного графита, что обеспечивает работоспособность крана при повышенных температурах рабочей среды.
При необходимости повернуть шаровую пробку 6 в требуемое положение при регулировании расхода рабочей среды через шаровой кран необходимо винт 17 повернуть с помощью рукоятки 18 так, чтобы уменьшить осевое усилие создаваемое им на диск 19, шаровую пробку 6 и металлическое уплотнительное кольцо 8.
В результате этого между сферической поверхностью шаровой пробки 6 и металлическим уплотнительным кольцом 8 появляется зазор достаточный для свободного вращения пробки 6 шпинделем 9 с помощью рукоятки 10.
Благодаря наличию зазора снижается усилие на рукоятке 10 при повороте шаровой пробки 6.
В описываемом примере, требуемый зазор составляет половину шага трапецеидальной резьбы на винте 17, в результате этого максимальный угол поворота его рукоятки 18 не превышает 300°, что достаточно либо для полной фиксации шаровой пробки 6 между диском 19 и металлическим уплотнительным кольцом 8, либо - до полного ее освобождения, обеспечив гарантированный зазор h между диском 19 и патрубком 2, что равнозначно зазору между шаровой пробкой и кольцевыми уплотнениями 7 и 8.
Чтобы закрыть запорно-регулирующий кран необходимо освободить рукояткой 18 шаровую пробку 6, повернуть ее шпинделем 9 с помощью рукоятки 10 на угол 90° по часовой стрелке, при этом она полностью перекроет проход для рабочей среды, и после этого зафиксировать ее в этом положении винтом 17 с рукояткой 18, создав необходимые удельные давления для герметизации крана.
Открытие шарового крана выполняется в обратной последовательности.
В процессе работы перфорированный диск 19 прилегает к сферической поверхности пробки 6, которая, перемещаясь, постепенно закрывает часть отверстий, регулируя пропускную способность крана.
Тот факт, что оси внутренних фланцев 13 и 14 и внешних фланцев 20 и 21 патрубков 2 и 3 пересекаются под углом 44°-46° относительно друг друга, позволяет при необходимости трансформировать, например, угловой шаровой кран в проходной поворотом выходного патрубка 3 на угол 180°, после чего кран может быть установлен на прямолинейном трубопроводе.
Допускается и перестановка входного патрубка 2.
Использование изобретения позволяет увеличить срок службы крана путем снижения износа шаровой пробки и ее уплотнений вследствие исключения попадания в их сопряжения абразивных веществ и за счет снижения усилий ее поворота. При этом сохранять и восстанавливать работоспособность в случае засорения рабочей среды твердыми включениями и - посредством компенсации износа трущихся поверхностей. Конструктивные признаки гибридного шарового крана-трансформера позволяют расширить его эксплуатационные возможности за счет преобразования конфигурации крана под конкретные соединения трубопроводов.
Кроме того, обеспечивается снижение усилия на рукоятке при управлении краном и позволяют сохранить работоспособность при повышенных температурах рабочей среды.