КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ
VALVE UNIT

Настоящее изобретение относится к клапанному узлу для использования в системе перемещения текучей среды под высоким давлением, защищенной от воздействия кавитации, которая может возникнуть в случае больших различий между давлениями с передней стороны и задней стороны по ходу течения.
Текучая среда, проходящая через клапан, движется быстрее в области меньшего сечения. Поскольку энергия согласно закону Бернулли сохраняется, то увеличение кинетической энергии вызывает уменьшение энергии давления. Энергия давления увеличивается снова, когда снова происходит увеличение проходного сечения, которое приводит к уменьшению скорости текучей среды.
Таким образом, в обычных редукционных клапанах давление может быстро уменьшиться на значительную величину и достичь значений, уступающих давлению испарения. Когда это случается, может происходить испарение воды и образование небольших газовых пузырьков. Увеличение давления или контакт с поверхностью приводит к взрыву этих пузырьков, что представляет собой высокоэнергетический процесс с точки зрения давления и температуры, которое может привести к разрыву окружающего твердого вещества. При проявлении процесса кавитации эрозия, имеющая место на задней по ходу течения части корпуса клапана, может развиваться очень быстро, а разрушение самого устройства может произойти за несколько недель.
Направленный внутрь взрыв газовых пузырьков также приводит к образованию особенно большого шума, который может вызвать беспокойство у окружающих, если указанное устройство установлено в городской зоне или близко от домов.
Следовательно, когда клапан предназначен для использования при решении задач, отличающихся большой разностью давлений, необходимо обеспечить редукционный клапан, выполненный с возможностью выдерживать такую большую разность давлений.
Известны некоторые технические решения, заключающиеся в обеспечении возможности протекания текучей среды через плоские или цилиндрические поверхности, которые могут быть выполнены с круговыми отверстиями или щелевые отверстия. Некоторые из этих устройств выполнены с возможностью создания нескольких рассеивающих ступеней для рассеивания энергии, предназначенных для распределения перепада давления внутри самого устройства по этим различным ступеням и таким образом уменьшения проявления процесса кавитации и связанных с ним шумовых возмущений.
Такой противокавитационный клапанный узел известен из опубликованной заявки EP 1794483 на Европейский патент. Раскрытый клапанный узел для уменьшения кавитации содержит седло, размещенное внутри корпуса клапана в промежуточном положении между входным отверстием для текучей среды и его выходным отверстием. С седлом связана тарельчатая направляющая таким образом, что обеспечена возможность ее перемещения относительно седла. Седло содержит стенку, образующую внутреннюю камеру и имеющую удлиненные щелевые отверстия, сформированные в ней таким образом, чтобы направлять текучую среду по направлению к центральному участку камеры для текучей среды. Тарельчатая направляющая содержит стенку, имеющую удлиненные щелевые отверстия, сформированные на ее верхнем участке, и выполненный без щелевых отверстий нижний участок, выполненный с возможностью по существу создания преграды указанным удлиненным щелевым отверстиям седла, когда тарельчатая направляющая оказывается перемещенной в закрытое положение. Седло, кроме того, содержит верхний выполненный без щелевых отверстий участок стенки создания преграды щелевым отверстиям тарельчатой направляющей в закрытом положении. Устройство, раскрытое в упомянутой выше опубликованной заявке на Европейский патент, выполнено таким образом, что имеют место два последовательных рассеивания энергии. Первый перепад давления происходит, когда текучая среда от входного отверстия для текучей среды поступает в седло через удлиненные щелевые отверстия седла. Кавитация, которая может происходить внутри седла, обычно не может повредить корпус клапана, поскольку она имеет место внутри седла. Седло, однако, может быть выполнено в виде запасной части и легко заменено. Второй перепад давления происходит, когда текучая среда выходит из седла через указанные удлиненные щелевые отверстия верхней части тарельчатой направляющей по направлению к выходному отверстию для текучей среды. Кавитация, которая может произойти в этой области, может быстро и достаточно серьезно повредить корпус клапана и привести к его полному разрушению.
Оказалось, однако, что этот известный клапанный узел не может гарантировать распределения потерь в нагрузке по различным ступеням на всем диапазоне открытия клапанного узла. Для показателей степени открытия клапана, меньших 50%, что представляет собой обычный диапазон для устройств такого типа, большая часть перепада давления имеет место на выходе тарельчатой направляющей. В результате этого может происходить кавитация и при этом в критической области, поскольку кавитация будет происходить в области, в которой корпус клапана может быть поврежден. Таким образом, известный из уровня техники клапанный узел не защищен эффективно против процесса кавитации при небольших открытиях клапана, и это оказывает негативное влияние на срок службы клапанного узла.
Еще одним недостатком клапанного узла, раскрытого в вышеупомянутой опубликованной заявке на Европейский патент, является то, что части клапанного узла имеют довольно сложную форму. Действительно, удлиненные щелевые отверстия тарельчатой направляющей сформированы проходящими под углом сдвига, отличающимся от 90°, по отношению к стенке тарельчатой направляющей, для направления текучей среды, проходящей через удлиненные щелевые отверстия, по направлению к корпусу клапанного узла под углом, отличающимся от прямого. Эти не радиально ориентированные щелевые отверстия не допускают прямого ударения потока текучей среды о стенки клапанного узла по выходу из тарельчатой направляющей. Эта конкретная ориентация удлиненных щелевых отверстий приводит к значительному усложнению изготовления указанных частей, что влечет увеличение производственных затрат. Кроме того, это приводит к усложнению сборки клапанного узла, поскольку требует выверки углов тарельчатой направляющей внутри седла. Неточный монтаж тарельчатой направляющей внутри седла может также повлиять на производительность всей системы.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности создания клапанного узла, в котором перепад давления, имеющий в нем место, подходящим образом распределен в клапанном узле, чтобы эффективно защитить клапанный узел против кавитации.
Задача изобретения решена использованием объектов, раскрытых в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту, изобретение относится к клапанному узлу, в особенности к редукционному клапанному узлу, содержащему: первые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от первого значения давления до второго меньшего значения давления, вторые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от второго значения давления до третьего значения давления, уступающего второму значению давления, и закрывающие средства для открытия и закрытия клапана, причем закрывающие средства для закрытия клапана, кроме того, выполнены с возможностью непрерывного или постепенного создания преграды отверстиям первых рассеивающих средств для рассеивания энергии при закрытии клапана, а геометрия отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии выполнена такой, что при закрытии клапана открытый проход отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии оказывается уменьшен быстрее, чем степень открытия всего клапанного узла по меньшей мере для заданного диапазона степеней открытия всего клапанного узла, включающего закрытое состояние, в особенности в диапазоне от 0 до 10%, а более конкретно в диапазоне от 0 до 30% от полного открытия клапанного узла. При небольших открытиях клапанного узла, текучая среда вынуждена проходить через меньшие отверстия по сравнению с ситуацией, при которой уменьшение открытого прохода уменьшается линейно со степенью открытия клапанного узла, как в известном из уровня техники случае, описанном выше. В результате перепад давления на первом этапе рассеивания энергии оказывается больше. В результате, величина проявлений кавитации, созданных по ходу течения за вторыми рассеивающими средствами для рассеивания энергии, может быть уменьшена, что приводит к увеличению срока службы клапанного узла. В этом контексте термин "степень открытия" относится к перемещению, обычно линейному, закрывающих средств для закрытия клапана по отношению к первым рассеивающим средствам для рассеивания энергии, которое может, например, быть реализовано стержнем, выполненным с возможностью перемещения закрывающих средств для закрытия клапана из открытого положения в закрытое положение.
Указанные отверстия могут иметь удлиненную форму. Такие ступени могут быть выполнены проще по сравнению с круговыми геометриями, и кроме того, соотношение открытых областей, через которые обеспечена возможность прохода текучей среды, к остальной области указанной ступени является большим.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, первые рассеивающие средства для рассеивания энергии могут содержать седло клапана, содержащее: нижнюю стенку, замкнутую криволинейную стенку, проходящую вверх от нижней стенки и образующие внутреннюю камеру, и щелевые отверстия, сформированные в нижней части замкнутой криволинейной стенки, причем по меньшей мере одно щелевое отверстие имеет меньшую ширину в своей нижней части, чем в своей верхней части.
Кроме того, в предпочтительном варианте реализации изобретения, нижняя часть по меньшей мере одного щелевого отверстия может быть сформированы в виде дуги, предпочтительно параболической дуги, или имеет трапециевидную форму, и/или верхняя часть указанного по меньшей мере одного щелевого отверстия может иметь по существу прямоугольную форму. Для форм такого рода распределение перепада давления может быть еще больше улучшено.
v
v
В предпочтительном варианте реализации изобретения уголковые изгибы указанного по меньшей мере одного щелевого отверстия выполнены скругленными и/или кромки указанного по меньшей мере одного щелевого отверстия на внешней стороне и/или внутренней стороне замкнутой криволинейной стенки могут быть выполнены скругленными. Это приводит к улучшению протекания текучей среды через клапанный узел и увеличению относящегося к клапану показателя K. В данном случае, показатель Kпредставляет собой объемный расход воды в кубических метрах за час при температуре между 5-40°C с перепадом давления в клапане в один бар, когда клапан совершенно открыт.
Задача изобретения также решена посредством клапанного узла по п.7. Согласно этому второму аспекту, клапанный узел, в особенности клапанный узел как описано выше, содержит: первые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от первого значения давления до второго меньшего значения давления, вторые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от второго значения давления до третьего значения давления, уступающего второму значению давления, и закрывающие средства для открытия и закрытия клапана, причем закрывающие средства для закрытия клапана содержат первый стеночный элемент, выполненный с возможностью непрерывного или постепенного создания преграды отверстиям, выполненным во втором стеночном элементе вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии при закрытии клапана, а первый и второй стеночные элементы выполнены с такой конфигурацией и размещены таким образом, что в закрытом состоянии клапанного узла между первым и вторым стеночными элементами сформирован зазор. Когда клапанный узел открывается, зазор, образованный между первым и вторым стеночными элементами, способствует облегчению прохождения текучей среды через вторые рассеивающие средства для рассеивания энергии по направлению к выходу клапанного узла, что в результате приводит к уменьшению давления в области между первыми и вторыми рассеивающими средствами для рассеивания энергии и таким образом увеличению перепада давления на первых рассеивающих средствах для рассеивания энергии и уменьшению перепада давления на вторых рассеивающих средствах для рассеивания энергии. Текучая среда выходит из вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии с меньшей скоростью, а в результате этого происходит ограничение проявлений кавитации.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, зазор может быть образован по всему периметру первых рассеивающих средств для рассеивания энергии.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, вторые рассеивающие средства для рассеивания энергии могут быть сформированы в виде тарельчатой направляющей, содержащей: верхнюю стенку, круговую стенку, проходящую вниз от верхней стенки и образующую внутреннюю камеру, и щелевые отверстия, сформированные в виде отверстий в верхней части замкнутой криволинейной стенки.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения периметр замкнутой криволинейной стенки, проходящей вниз от верхней стенки, меньше в верхней части, чем в своей нижней части для обеспечения образования указанного зазора. Простым расщеплением и отгибом верхней части замкнутой криволинейной стенки обеспечена возможность осуществления предпочтительной конструкции, позволяющей выполнить указанный зазор. Еще в одном варианте реализации изобретения замкнутая криволинейная стенка, проходящая вверх от нижней стенки первых рассеивающих средств для рассеивания энергии, может иметь периметр, в своей верхней части больший, чем в своей нижней части, благодаря чему обеспечена возможность образования указанного зазора.
В предпочтительном варианте реализации изобретения щелевые отверстия вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии могут быть сформированы таким образом, что они проходят перпендикулярно по отношению к замкнутой криволинейной стенке. Конструкцией первых и вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии обеспечивается большой перепад давления на первой ступени, уменьшается риск возникновения кавитации по ходу течения за вторыми рассеивающими средствами для рассеивания энергии, а поэтому не требуется никаких специальных мероприятий по отношению к направлению прорезания указанных отверстий в замкнутой криволинейной стенке. Этим достигается упрощение процесса изготовления вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии и сборки клапанного узла, поскольку не требуется никакой сложной обработки на станках и специального выравнивания по отношению к корпусу клапанного узла.
В предпочтительном варианте реализации изобретения замкнутая криволинейная стенка седла клапана может содержать выполненную без щелевых отверстий верхнюю часть и/или замкнутая криволинейная стенка тарельчатой направляющей клапана содержит выполненную без щелевых отверстий нижнюю часть, причем выполненные без щелевых отверстия верхняя и нижняя части формируют закрывающие средства для закрытия клапана. Таким образом, не требуется выполнения никакого дополнительного элемента, что упрощает конструкцию клапана и его сборку.
v
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения выполненная без щелевых отверстий нижняя часть замкнутой криволинейной стенки имеет скругленный конец на своей внутренней стороне, предпочтительно проходящий по дуге окружности. Когда клапанный узел находится в открытом состоянии, текучая среда после прохода отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии должна затем пройти вдоль замкнутой криволинейной стенки вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии. Выполнением конца скругленным обеспечиваются облегчение протекания вокруг него и улучшение показателя K.
В предпочтительном варианте реализации изобретения клапанный узел, выполненный как описано выше, также может содержать корпус с входным отверстием для текучей среды и выходным отверстием для текучей среды, причем седло клапана расположено между входным отверстием для текучей среды и выходным отверстием для текучей среды и прикреплено к корпусу, тарельчатая направляющая клапана размещена с возможностью перемещения в седле клапана, выполненная без щелевых отверстий нижняя часть замкнутой криволинейной стенки тарельчатой направляющей клапана выполнена с возможностью по существу создания преграды щелевым отверстиям седла в закрытом положении клапанного узла и таким образом недопущения прохождения текучей среды от входного отверстия для текучей среды к выходному отверстию для текучей среды, выполненная без щелевых отверстий верхняя часть замкнутой криволинейной стенки седла клапана выполнена с возможностью по существу создания преграды щелевым отверстиям тарельчатой направляющей клапана в закрытом положении клапанного узла и таким образом недопущения прохождения текучей среды от входного отверстия для текучей среды к выходному отверстию для текучей среды, а тарельчатая направляющая выполнена с возможностью перемещения в открытое положение клапанного узла и таким образом обеспечения возможности прохождения текучей среды через клапанный узел от входного отверстия для текучей среды к выходному отверстию для текучей среды. В таком клапанном узле обеспечена возможность сбалансированного распределения перепада давления на указанных двух ступенях и таким образом предотвращения кавитации вблизи корпуса на стороне выходного отверстия для текучей среды в указанном узле.
В предпочтительном варианте реализации изобретения щелевые отверстия тарельчатой направляющей могут быть выполнены шире щелевых отверстий седла. Это дополнительно обеспечивает улучшение распределения перепада давления между первыми и вторыми рассеивающими средствами для рассеивания энергии.
Согласно третьему аспекту изобретения изобретение также относится к клапанному узлу, в особенности выполненному как описано выше, содержащему: первые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от первого значения давления до второго меньшего значения давления, вторые рассеивающие средства для рассеивания энергии с отверстиями для уменьшения давления текучей среды от второго значения давления до третьего значения давления, уступающего второму значению давления, и закрывающие средства для открытия и закрытия клапана, отличающийся тем, что геометрия отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии и геометрия вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии вокруг его отверстий выполнена такой, что независимо от открытого состояния клапанного узла, перепад давления на первых рассеивающих средствах для рассеивания энергии составляет по меньшей мере 50%, предпочтительно в диапазоне от 50 до 70%.
Выяснилось, что именно форма отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии и специальная геометрия вокруг отверстий вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии обеспечивает возможность лучшего распределения перепада давления между первыми и вторыми рассеивающими средствами для рассеивания энергии таким образом, что даже для почти закрытого клапанного узла перепад давления на первых средствах составляет по меньшей мере 50%, что приводит к уменьшению частоты возникновения кавитации на выходе второй ступени, в отличие от известного технического решения.
Далее признаки и свойства варианта реализации изобретения описаны подробно со ссылкой на фигуры чертежей.
На фиг.1а и 1b схематично показано трехмерное представление клапанного узла с частичным вырезом согласно изобретению в двух различных открытых состояниях;
на фиг.2а-2d показан перспективный вид в разрезе части первых и вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии согласно настоящему изобретению, а также форма открытого прохода отверстий первых рассеивающих средств для рассеивания энергии для различных степеней открытия клапанного узла; а
на фиг.3 показан подробный вид одного отверстия первых рассеивающих средств для рассеивания энергии согласно второму варианту реализации изобретения.
На фиг.1а показан трехмерный вид клапанного узла с разрезом согласно изобретению. Клапанный узел 1 согласно изобретению является так называемым редукционным клапанным узлом, используемым для уменьшения давления текучей среды, проходящей через него. Клапанный узел 1 содержит корпус 3 с входным отверстием 5 для текучей среды и выходным отверстием 7 для текучей среды. Корпус 3 выполнен с возможностью закрытия с использованием крышки, причем, например, для крепления крышки к корпусу 3 используются болты. Текучая среда под высоким давлением поступает в этот клапанный узел 1 через входное отверстие 5 и покидает его при низком давлении через выходное отверстие 7.
Для достижения необходимого перепада давления клапанный узел 1 содержит первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии и вторые рассеивающие средства 15 для рассеивания энергии. В дальнейшем, первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии также называются седлом клапана, а вторые рассеивающие средства 15 для рассеивания энергии -тарельчатой направляющей клапана. Первые и вторые рассеивающие средства 13, 15 для рассеивания энергии выполнены с возможностью перемещения по отношению друг к другу. Для открытия клапана и его закрытия используются закрывающие средства 17 для закрытия клапана. На фиг.1, клапанный узел 1 показан в полностью открытом состоянии. Для закрытия клапанного узла 1 используется стержень 19. Стержень 19 соединен со вторыми рассеивающими средствами 15 для рассеивания энергии и выполнен с возможностью перемещения вниз вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии вместе с удерживающим элементом 21 и диафрагмой (не показано). Для поджатия вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии в первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии в закрытом положении клапанного узла 1 может быть использована пружина (не показано).
Первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии содержат нижнюю стенку 25, замкнутую криволинейную стенку 27, проходящую вверх от нижней стенки 25, таким образом образующие внутреннюю камеру, открытую к верхней части. В нижней части замкнутой криволинейной стенки 27 сформированы отверстия 29. Согласно первому аспекту изобретения отверстия 29 имеют удлиненную форму с длинной стороной, проходящей по существу перпендикулярно нижней стенке 25. Согласно изобретению их форма такова, что их ширина, например W1, в нижней части уступает их ширине, например W2, в верхней части.
Часть отверстия 29, меньшей ширины, может иметь форму дуги, такую как форма параболической дуги, или может быть выполнена трапециевидной формы. Эта более широкая верхняя часть выполнена предпочтительно прямоугольной. В этом варианте реализации изобретения форма отверстий 29 является симметричной, но согласно еще одним вариантам реализации изобретения также возможны асимметричные формы, а также выполнение верхней части шире нижней части. Для улучшения протекания через отверстия 29 уголковые изгибы в них выполнены скругленными.
В этом варианте реализации изобретения все отверстия 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии имеют одинаковую форму и кроме того равномерно распределены вокруг замкнутой криволинейной стенки 27. Однако, согласно вариантам реализации изобретения, формы различных отверстий 29 могут варьироваться в виду того, что соотношение между вырезанными зонами и гладкими зонами в областях замкнутой криволинейной стенки 27, в которой выполнены отверстия, меньше в нижней части по сравнению с верхней частью.
Первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии кроме того содержат возле своих верхних концов зону 31 ободка, посредством которой первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии прикреплены к корпусу 3.
Вторые рассеивающие средства 15 для рассеивания энергии содержат верхнюю стенку, прикрепленную к удерживающему элементу 21, и замкнутую криволинейную стенку 35, проходящую вниз от верхней стенки 33 для формирования внутренней камеры, открытую по направлению к нижней стенке 25 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии. Замкнутая криволинейная стенка 35 содержит отверстия 37 в своей верхней части. Нижняя часть замкнутой криволинейной стенки 35 формирует часть закрывающих средств 17 для закрытия клапана. Внешний периметр замкнутой криволинейной стенки 35 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии выбран таким, что она может быть перемещена в камере, образованной замкнутой криволинейной стенкой 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии. Обычно размеры внешней стенки замкнутой криволинейной стенки 35 и внутренней стенки замкнутой криволинейной стенки 27 выбраны для обеспечения их сопряжения друг с другом, кроме для области вблизи верхней стенки 33. Вторые рассеивающие средства 15 для рассеивания энергии также содержат ободок 39 с уплотняющим элементом 40, размещенным между удерживающим элементом 21 и верхним концом замкнутой криволинейной стенки 35 для обеспечения плотной посадки, когда клапанный узел совершенно закрыт.Вследствие этого 5 уплотняющий элемент 40 оказывается размещенным на верхнем конце замкнутой криволинейной стенки 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии в закрытом состоянии клапанного узла.
Согласно второму аспекту изобретения замкнутая криволинейная стенка 35 выполнена так, что в верхней зоне 41 ее внешний периметр меньше, чем в ее нижней зоне 43, благодаря чему между первыми и вторыми рассеивающими средствами 13 и 15 для рассеивания энергии образован зазора. Еще в одном варианте реализации этого аспекта изобретения замкнутая криволинейная стенка 35 может иметь прямую геометрию, а внутренний периметр стенки 27 может быть выполнен больше в своей верхней части, чем в своей нижней части.
Согласно еще одному аспекту нижний конец 45 замкнутой криволинейной стенки 35 имеет скругленную форму на своей внутренней стороне, обычно в форме дуги окружности.
Отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии выполнены по существу прямоугольной формы со скругленными уголковыми изгибами. В данном варианте реализации изобретения их ширина немного уступает ширине отверстий 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, но она также может быть такой же или превосходить их. Их высота (длина) выполнена одного порядка с высотой (длиной) отверстий 29 или немного короче, например на 3 - 5 мм. Обычно их высота соответствует расстоянию между совершенно открытым и полностью закрытым состоянием.
Как в случае первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии также равномерно распределены вокруг замкнутой криволинейной стенки 35 и, кроме того, все они имеют одинаковую форму. Кроме того, вместо этого в рамках объема предлагаемого изобретения в отношении отверстий 37 могут быть использованы различные формы и размеры.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг.1, отверстия первых, а также вторых рассеивающих средств 13, 15 для рассеивания энергии прорезаны перпендикулярно по отношению к поверхности замкнутых криволинейных стенок 25, 37.
Клапанный узел 1, как показано на фиг.1, работает следующим образом. Когда текучая среда под высоким давлением, например 25 бар, поступает в клапанный узел 1 через входное отверстие 5, на первых рассеивающих средствах для рассеивания энергии происходит перепад давления. Для обеспечения этого первые рассеивающие средства для рассеивания энергии формируют препятствие, так что текучая среда может пройти только через отверстия 29, таким образом вызывая перепад давления до второго меньшего значения давления. Текучая среда, поступившая во внутреннюю камеру, образованную нижней стенкой 25 и замкнутой криволинейной стенкой 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, затем перемещается вверх и достигает вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии. Второй перепад давления от уровня второго до уровня третьего значения давления происходит, когда текучей среде необходимо пройти через отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии. Текучая среда после прохода вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии покидает клапанный узел 1 через выходное отверстие 7.
Преимуществом двухступенчатой конструкции клапанного узла 1 является обеспечение возможности распределения перепада давления по первой и второй ступени, так что эффект кавитации, как подробно раскрыто в начале описания, может быть подавлен или по меньшей мере уменьшен.
Для закрытия клапанного узла 1 используется стержень 19 для опускания вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии в камеру, образованную первыми рассеивающими средствами 13 для рассеивания энергии. По мере перемещения вниз гладкая часть 17 без отверстий замкнутой криволинейной стенки 35 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии начинает создавать частичную преграду отверстиям 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии. Одновременно с этим отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии становятся частично прегражденными гладкой частью, являющейся частью закрывающих средств для закрытия клапана, замкнутой криволинейной стенки 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, расположенных в указанной области выше отверстий 29. Таким образом, в двухступенчатой конструкции при закрытии клапана, отверстия первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии становятся все более прегражденными и таким образом ограничивают протекание через клапанный узел 1.
На фиг.1b показан клапанный узел 1 в полностью закрытом состоянии. Стержень 19 опускают таким образом, что ободок 39 и уплотняющий элемент 40 оказываются размещены на замкнутой криволинейной стенке 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии.
Конструкция первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, а также вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии способствует устранению недостатков, имеющихся в известном техническом решении и подробно раскрытых в начале описания. В то время как в известном техническом решении распределение потерь в нагрузке не было хорошо распределено в клапанном узле для почти закрытых клапанов (менее 30%), в конструкции согласно изобретению перепад давления на первых рассеивающих средствах для рассеивания энергии составляет величину, независимо от степени открытия клапанного узла, в диапазоне между 50 и 70%. Таким образом, даже в почти закрытом состоянии величина проявлений кавитации, которая может происходить после вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии, оказывается уменьшена, что благоприятно сказывается на сроке службы клапанного узла.
Влияние конструкции первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии на перепад давления далее объяснено подробно.
На фиг.2а показан трехмерный частичный разрез первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии в клапанном узле в полностью открытом состоянии. Как можно увидеть из чертежа, гладкая часть 17 замкнутой криволинейной стенки 35, а также гладкая часть 47 замкнутой криволинейной стенки 27 размещены вплотную друг к другу таким образом, что отверстия 29 и 37 первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии оказываются полностью открыты. На внешней стороне и по направлению к ободку 31 замкнутая криволинейная стенка 27 имеет утолщенную область с резьбой, используемой для крепления первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии к корпусу 3.
На фиг.2b показан тот же самый частичный вид первых и вторых рассеивающих средств 15 и 13 для рассеивания энергии в почти закрытом состоянии клапанного узла 1 (приблизительно 10-20%). Как можно увидеть из чертежа, гладкая часть 17, являющаяся частью закрывающих средств для закрытия клапана теперь частично преграждает отверстия 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, а гладкая часть 47, также являющаяся частью закрывающих средств для закрытия клапана, первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, частично преграждает отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии.
На фиг.2 с показан тот же самый частичный вид первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии в полностью закрытом состоянии клапанного узла 1. Как можно увидеть из чертежа, гладкая часть 17, являющаяся частью закрывающих средств для закрытия клапана, теперь преграждает отверстия 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии за исключением небольшого оставшегося участка для обеспечения возможности плавного открытия клапанного узла. Кроме того, гладкая часть 47, также являющаяся частью закрывающих средств для закрытия клапана, первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, преграждает отверстия 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии. Полное закрытие достигается уплотняющим элементом 40, размещаемым на замкнутой криволинейной стенке 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии.
Влияние конструкции первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии на перепад давления далее объяснено подробно.
Форму отверстий 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии выбирают таким образом, что их ширина в нижней части, например w1, уступает их ширине w2 в верхней части, как ясно показано на фиг.2а. На фиг.2d показана область открытого прохода, таким образом указанная не прегражденная часть отверстия 29 остается открытой гладкой частью 1 замкнутой криволинейной стенки, для нескольких степеней открытия клапанного узла 1. Как можно увидеть из фиг.2d, когда клапан закрывается, уменьшение области открытого прохода происходит линейно в диапазоне, где отверстия имеют прямоугольную форму (здесь от 100% до примерно 40%). В действительности, для 100% это линейное отношение достигается не полностью вследствие скругленных верхних уголковых изгибов в отверстиях 29.
Для степеней открытия, менее 40%, влияние дугообразной или трапециевидной формы нижней части отверстий 29 является таким, что открытый проход закрывается быстрее, чем степень открытия клапанного узла 1. Следствием этого является то, что для степеней открытия, близких к закрытому состоянию, в особенности в диапазоне от 0 до 10%, а более конкретно в диапазоне от 0 до 30%, большой перепад давления поглощается на первом этапе 13 рассеивания энергии по мере вынуждения текучей среды проходить через относительно небольшую открытую область по сравнению с конструкцией в известных технических решениях. В результате достигнуто лучшее распределение потерь в нагрузке и/или перепаде давления в критическом состоянии почти полностью закрытого клапана. Было обнаружено, что только одной конструкцией отверстий на первом этапе 13 рассеивания энергии вся указанная конструкция оказывается усовершенствованной таким образом, что в критических областях клапанного узла кавитация возникает реже.
Как можно увидеть из чертежа на фиг.2d, отверстия 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии продолжают обеспечивать возможность создания небольшого открытого прохода даже при совершенно закрытом клапанном узле (степень открытия 0%), что обеспечивает установления давления спереди по ходу течения во внутренней камере, образованной первыми рассеивающими средствами 13 для рассеивания энергии, и таким образом гарантирует немедленное плавное открытие клапанного узла 1. Полное закрытие клапанного узла таким образом, что текучая среда не может ни через что пройти, достигнуто дополнительным уплотнением 40.
Влияние конструкции вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии на распределение перепада давления по первой и второй ступени 13 и 15 клапанного узла 1 теперь будет описано подробно.
Так же как внесение изменений в конструкцию отверстий 29 по сравнению с известными техническими решениями приводит к увеличенному перепаду давления на первой рассеивающей ступени, измененная конструкция отверстий 37 второй рассеивающей ступени 15 для рассеивания энергии оказывает влияние на величину уменьшения давления на первых рассеивающих средствах 13 для рассеивания энергии. Действительно, отверстия 37, а также вся конструкция верхней части 41 замкнутой криволинейной стенки 35 способствуют облегчению протекания текучей среды по направлению к выходному отверстию 7 клапанного узла даже при небольших степенях открытия всего клапанного узла 1, в особенности для степеней открытия менее 30%, так что второе значение давления текучей среды между первой и второй рассеивающей ступенью 13 и 15 для рассеивания энергии может дополнительно быть уменьшено таким образом, что для всех степеней открытия клапанного узла может быть достигнут перепад давления в диапазоне от 50 до 70%.
На фиг.2b показано, что в верхней части 41 по направлению к верхней стенке 33 после вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии периметр внешней поверхности меньше, чем периметр в нижней части 43 замкнутой криволинейной стенки 35, в результате чего может быть создан зазор 51 между по меньшей мере частью замкнутой криволинейной стенки 35 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии и замкнутой криволинейной стенкой 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии. Таким образом, в момент открытия клапанного узла 1, текучая среда может проходить по всему периметру верхнего конца замкнутой криволинейной стенки 27 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии по направлению к выходному отверстию, что приводит к уменьшению давления в пространстве, образованном внутренними камерами первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии.
Как можно увидеть из чертежа на фиг.2а, высота h верхней части 41 замкнутой криволинейной стенки 35 составляет примерно 60% от общей высоты H в полностью открытом состоянии. Внешняя стенка по направлению к уплотнению 40 имеет в разрезе скругленную форму с радиусом r, соответствующим радиусу г в зоне 31 ободка первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии. При прохождении далее вниз внешняя стенка постепенно приобретает форму и размеры периметра нижней части 43, в данном случаем линейным образом. В этом варианте реализации изобретения, удаление материала реализовано таким образом, что сразу после открытия клапанного узла оказывается открыт довольно большой проход для текучей среды для обеспечения ее протекания по направлению к выходному отверстию, что достигается скругленной частью верхней части 41. Кроме того, постепенным приобретением указанного радиуса нижней части 43 может быть обеспечен плавный поток для всех степеней открытия. Однако другие геометрии также оказываются охвачены объемом изобретения при условии образования зазора между внешней стенкой вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии и внутренней стенкой первых рассеивающих средств для рассеивания энергии, обеспечивающего возможность протекания текучей среды по направлению к выходному отверстию по существу по всему периметру стенки 35.
На фиг.2b показано, что боковые стенки 53а, 53b, и 53c отверстий 37 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии выполнены более прочными на внутренней стороне с учетом удаления материала на внешней стороне в верхней части 41 и обеспечения механической прочности в этой части клапанного узла. В этом варианте реализации изобретения внутренняя сторона стенки вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии не проходит параллельно стенке 27 первых рассеивающих средств для рассеивания энергии.
v
v
Кроме того, на фиг.2b показан скругленный нижний конец 45 замкнутой криволинейной стенки 35 вторых рассеивающих средств 15 для рассеивания энергии, что в предпочтительном варианте реализации изобретения обеспечивает возможность плавного прохождения потоком текучей среды, прибывающей от первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии, этого нижнего конца даже для почти закрытого клапана. Эта характеристика приводит к улучшению показателя K клапанного узла 1 примерно на 3-5% по сравнению с конструкцией, выполненной без скругленного нижнего конца. В этом контексте показатель K представляет собой объемный расход воды в кубических метрах за час при температуре между 5-40°C с перепадом давления в клапане в один бар, когда клапан совершенно открыт.Это преимущество, обусловленное наличием скругленного конца 45, по существу не зависит от влияния, оказываемого конструкцией отверстий первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии.
При комбинировании преимуществ конструкции отверстий первой рассеивающей ступени 13 для рассеивания энергии с усовершенствованной конструкцией вокруг отверстий второй рассеивающей ступени 15 для рассеивания энергии, численный анализ показывает, что для степени открытия клапанного узла между 10-100% потери под нагрузкой на первой ступени составили величину в диапазоне от 50 до 70% по всему указанному диапазону. Достигаемое этим преимущество заключается в том, что частота возникновения кавитации в критической области вблизи корпуса 3 на выходе отверстий 37 второй рассеивающей ступени 15 для рассеивания энергии может быть уменьшена и таким образом может быть увеличен срок службы клапанного узла. Поскольку большая часть перепада давления достигается на первой рассеивающей ступени для рассеивания энергии, большая часть повреждений может возникнуть внутри первых или вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии, которые можно легко заменить.
Поскольку частота возникновения кавитации вблизи корпуса может быть уменьшена по сравнению с известными техническими решениями, описанными выше, также обеспечена возможность выполнения отверстий 37 во второй рассеивающей ступени для рассеивания энергии под углом 90° по отношению к указанной замкнутой криволинейной стенке, благодаря чему устраняется необходимость в специальной обработки на станках и выравнивании замкнутой криволинейной стенки как в известном клапанном узле с его не радиально расположенными щелевыми отверстиями, рассмотренном выше.
v
На фиг.3 показан подробный вид отверстия 29 первых рассеивающих средств 13 для рассеивания энергии согласно второму варианту реализации изобретения. Не только зоны 61а, 61b и 61c уголковых изгибов в отверстии 29 выполнены скругленными, но и кромки отверстия 29 на внешней стороне 63, а также на внутренней стороне 65 отверстия 29. Эти скругленные кромки также приводят к получению предпочтительного эффекта, согласно которому относящийся к клапану коэффициент K протекания может быть улучшен примерно до 6%. Еще раз необходимо отметить, что это преимущество может быть достигнуто независимо от конструкции отверстий.
Настоящее изобретение описано для клапанного узла 1, в котором первые и вторые рассеивающие средства 13 и 15 для рассеивания энергии представляют собой усовершенствованную конструкцию. Согласно еще одним вариантам реализации изобретения клапанный узел может быть выполнен так, что только первые рассеивающие средства 13 для рассеивания энергии или только вторые рассеивающие средства 15 для рассеивания энергии реализованы с усовершенствованной конструкцией отверстия по сравнению с конструкцией, известной из указанного технического решения (известного клапанного узла). Кроме того, количество отверстий для первых и вторых рассеивающих средств для рассеивания энергии не обязательно должно быть таким, как в варианте реализации изобретения, описанном выше. Согласно еще одному варианту реализации изобретения отверстия 29 и 37 первых и вторых рассеивающих средств 13 и 15 для рассеивания энергии не обязательно должны быть выровнены как показано на фиг.1, 2а и 2b.