КЛАПАН РЕДУКЦИОННЫЙ
REDUCING VALVE

Изобретение относится к устройствам пневмоавтоматики и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта для понижения давления газа и автоматического поддержания заданного давления.
Известен уравновешенный редуктор давления рабочей среды (RU 2239222, 7G05D 16/06), содержащий корпус с входной и выходной камерами, дросселирующий орган, состоящий из седла, расположенного между входной и выходной камерами, подпружиненного полого запорного клапана со сквозным отверстием для сообщения полости клапана с выходной камерой, чувствительный элемент (мембранный узел) с регулируемой пружиной расположен в выходной полости и взаимодействует посредством штока с запорным клапаном, при этом по подвижному соединению запорного клапана с корпусом установлен уплотнительный элемент. Редуктор содержит предохранительный клапан, расположенный в полости запорного клапана, с возможностью запирания отверстия предохранительного клапана при нарушении герметичности уплотнительного элемента за счет седла на внутренней поверхности запорного клапана, контактирующего с подпружиненным уплотнительным элементом.
Данный уравновешенный редуктор давления рабочей среды, как и заявляемый клапан редукционный, содержит входную и выходную камеры, дросселирующий орган, состоящий из седла, расположенного между входной и выходной камерами, подпружиненного запорного клапана, сверху входной камеры установлена мембрана, шток, проходящий через отверстие, соединяющее входную и выходную камеры, и взаимодействующий с мембраной, уравновешивающую пружину, верхнюю крышку. Элементы конструкции расположены соосно вертикальной оси.
Введение в аналог дополнительных конструктивных элементов при их нормальном функционировании не обеспечивает повышение его надежности, т.к. дополнительная сила, прижимающая плунжер к седлу, не создается. В случае прорыва уплотнительного кольца запорного клапана повышается сила поджатия плунжера к седлу, но при условии герметичности предохранительного клапана, что также не способствует повышению надежности редуктора.
Известен регулятор давления (RU 2241250, 7G05D 16/06, F16K 31/1), содержащий корпус, на боковых противоположных сторонах которого выполнены входной и выходной фланцы, крышку с пробкой, на которой укреплен стопор с самоустанавливающейся опорой, стойку, установленную на верхнюю часть корпуса, мембранный узел, состоящий из нижней и верхней крышек, которые соединены вместе, мембраны, укрепленной между нижней и верхней крышками, защитных тарелок, верхняя из которых установлена на мембрану, а нижняя - под мембрану, в корпусе выполнен входной канал, один конец которого открыт наружу через входной фланец, входная камера, выходная камера, выходной канал, один конец которого соединен с выходной камерой, а другой конец открыт наружу через выходной фланец, при этом входная камера находится над отверстием, а выходная камера под отверстием, в котором установлено седло, в стойке выполнены первая и вторая цилиндрические полости, при этом первая цилиндрическая полость выполнена по оси корпуса и открыта в подмембранное пространство мембранного узла, а вторая охватывает первую, регулируемый дроссель, соединяющий первую и вторую цилиндрические полости, масло, залитое в первую и вторую цилиндрические полости, соединительный канал, выполненный в стойке и соединяющий входную камеру и вторую цилиндрическую полость, шток, опирающийся на самоустанавливающуюся опору и размещенный по вертикальной оси корпуса в стойке, в корпусе и мембранном узле, в котором на нем укреплены защитные тарелки и мембрана, стопорное защитное устройство и самосмазывающийся уплотняющийся узел, с помощью которых шток укреплен в стойке, плунжер, укрепленный на штоке под седлом, поршень, укрепленный на штоке в верхней части первой цилиндрической полости таким образом, что в крайнем верхнем положении плунжера верхняя поверхность поршня совпадает с поверхностью дна подмембранного пространства мембранного узла, уравновешивающую пружину, установленную в нижней части выходной камеры под плунжером, отверстие между седлом и плунжером является дросселирующим отверстием регулятора давления. Элементы конструкции расположены соосно вертикальной оси.
Данный регулятор давления, как и заявляемый клапан редукционный, содержит входную и выходные камеры, крышку, которая изолирует входную камеру, внутри входной камеры установлены седло, плунжер, прижатый к седлу самоустанавливающейся опорой, на которую действует пружина, мембрану, установленную сверху входной камеры, поршень, взаимодействующий с мембраной, уравновешивающую пружину, верхнюю крышку, шток, проходящий через отверстие, соединяющее входную и выходную камеры, дросселирующую щель, образуемую зазором между седлом и плунжером при работе регулятора давления.
Однако конструктивное выполнение регулятора давления сложное, требует периодического технического обслуживания в процессе эксплуатации, т.к. для обеспечения требуемой точности регулирования выходного давления необходимо заливать масло в первую и вторую цилиндрические полости для смазки поршня, кроме этого, использование масла накладывает существенное ограничение по применению регулятора давления, например работа с воздухом при давлениях больше 25 МПа и с кислородом при любом давлении недопустима из-за взрывоопасности.
Наиболее близким по технической сущности является газовый редуктор (RU 2290682, G05D 16/06), содержащий корпус, на боковых противоположных сторонах которого выполнены присоединительные места, соединенные, соответственно, с входной и выходной камерами, крышку в виде стакана, на дне которого закреплена резьбовая втулка с регулирующим винтом, задающую пружину сжатия, установленную внутри крышки и действующую на нажимной диск, мембрану, закрепленную между корпусом и крышкой и установленную в мембранный узел, контактирующий с одной стороны с тарелью, прилегающей к мембране в центральной части, с противоположной - с толкателем, проходящим через дросселирующее отверстие и действующим на редуцирующий клапан (затвор), который в нерабочем состоянии редуктора прижат пружиной к седлу отверстия, соединяющего входную и выходную камеры, а в рабочем состоянии под действием силы задающей пружины сжатия, перемещаясь, открывает проход газу через зазор между клапаном и седлом в выходную камеру. Элементы конструкции расположены соосно вертикальной оси.
Данный редуктор, как и заявляемый клапан редукционный, содержит входную и выходную камеры, крышку в виде стакана, на дне которого закреплена резьбовая втулка с регулирующим винтом, задающую пружину сжатия, действующую на нажимной диск, мембрану, которая связана с толкателем, проходящим через дросселирующее отверстие и действующим на редуцирующий клапан (затвор), который в нерабочем состоянии редуктора прижат пружиной к седлу отверстия, соединяющего входную и выходную камеры, а в рабочем состоянии под действием силы задающей пружины сжатия, перемещаясь, открывает проход газу через зазор между клапаном и седлом в выходную камеру.
Наличие полости между нажимным диском и мембраной и отсутствие поршня снижают стабильность регулирования рабочего давления, т.к. при изменениях режима работы редуктора, особенно при изменениях (бросках) расхода газа в выходной камере, возможно возникновение затухающего автоколебательного процесса установления заданного значения рабочего давления, обусловленного скачкообразным перемещением мембранного узла и связанных с ним через толкатель редуцирующим клапаном относительно величины (точки) заданного рабочего давления. Кроме того, площадь, на которую действует давление, меняется с изменением давления за счет наличия полости между нажимным диском и мембраной, что увеличивает погрешность регулирования.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы и точности поддержания установленного выходного давления во всем диапазоне расхода газа, предусмотренном для заявляемого клапана редукционного.
Технический результат достигается тем, что в клапан редукционный, содержащий входную и выходную камеры, выполненные в корпусе, крышку в виде стакана, на дне которого установлена резьбовая втулка с регулирующим винтом, и установленную сверху на корпус по вертикальной оси, внутри крышки между верхними и нижними опорами установлена задающая пружина сжатия, мембрану, которая по периметру зажата между корпусом и крышкой, шток, который проходит через дросселирующее отверстие, плунжер, между корпусом и крышкой введены стойка с поршнем, ограничители движения поршня, причем в стойке выполнено центральное отверстие со скруглением в месте пересечения с плоскостью, обращенной в сторону выходной камеры, на противоположной плоскости выполнены глухие резьбовые отверстия для установки ограничителей движения поршня, на наружном диаметре стойки выполнена резьба для присоединения крышки, глубина вхождения поршня в центральное отверстие стойки со стороны задающей пружины ограничена кольцевым буртиком на противоположном конце поршня и по величине меньше, чем длина стойки, на величину, не менее чем радиус округления центрального отверстия стойки со стороны, обращенной к выходной камере, на мембране из эластичного материала (например, из резины), закрепленной по периметру между корпусом и стойкой, в центре имеется цилиндрический выступ, сопрягаемый с центральным отверстием в стойке по диаметру, радиусу скругления и торцу поршня, шток центрируется в сквозном отверстии в выступе корпуса и имеет продольные пазы для прохода газа, причем сверху на штоке закреплена гайка, между гайкой и корпусом на шток установлена пружина, прижимающая шток с гайкой к мембране, на цилиндрический выступ корпуса установлен плунжер в виде стаканчика, на дне которого закреплен уплотняющий элемент, на боковых стенках выполнены впускные отверстия, на дне выполнено конусное углубление, заканчивающееся шаровидной поверхностью, которая контактирует с самоустанавливающейся подпружиненной опорой, поверхность мембраны со стороны цилиндрического выступа припудрена порошком графита, а длина выступа равновелика расстоянию от плоскости стойки до торца поршня, перемещенного в крайнее верхнее положение по вертикальной оси до упора, корпус с выходной камерой имеет по вертикальной оси цилиндрический выступ с соосным сквозным отверстием, заканчивающимся седлом, выполненным в виде тупого конуса с углом от 150 до 170 градусов с плавным закруглением пересечения отверстия с конусной поверхностью радиусом от 0,3 до 0,5 мм и расположенным во входной камере, верхняя опора, установленная на задающую пружину сжатия, имеет выступ, проходящий внутри пружины, который при сжатии пружины до предельной нормы соприкасается с противолежащей плоскостью на нижней опоре, на регулирующем винте установлены гайка и контргайка.
Введение в клапан редукционный стойки и поршня, на который передается сила задающей пружины через самоустанавливающуюся опору и входящего в центральное отверстие стойки, которое имеет на выходе радиусное скругление, причем вхождение поршня в центральное отверстие ограничено кольцевым буртиком поршня так, что торец поршня не доходит до радиусного скругления центрального отверстия, выступа на разделительной мембране, сопрягаемого с центральным отверстием стойки, радиусом его скругления и торцом поршня, порошка графита, которым припудрена мембрана со стороны прилегания к стойке и поршню, исключает вдавливание мембраны в зазор между поршнем и центральным отверстием в стойке давлением газа, обеспечивает стабильную величину эффективной площади, на которую действует давление в выходной камере, уменьшает потери на трение, что в совокупности обеспечивает устойчивую работу клапана редукционного и одновременно позволяет более точно поддерживать заданную величину выходного давления в рабочем диапазоне расхода газа.
Введение ограничителей линейного и вращательного перемещения поршня предохраняет мембрану от ненормированной деформации, что позволяет увеличить ресурс и дополнительно способствует устойчивой работе клапана редукционного.
Введение на верхней опоре цилиндрического выступа, который проходит внутри задающей пружины и при ее свободном состоянии образует зазор между ним и противолежащей плоскостью на нижней опоре, предохраняет задающую пружину от ненормированных перегрузок и обеспечивает ее надежную и стабильную работу.
Введение в корпус с выходной камерой цилиндрического выступа с соосным сквозным отверстием, штоком, проходящим внутри отверстия, и входящим во входную камеру, и имеющим оформление седла в виде тупого конуса с углом от 150 до 170 градусов с плавным закруглением пересечения отверстия с конусной поверхностью радиусом от 0,3 до 0,5 мм, надетого на выступ плунжера в виде цилиндрического стаканчика, на дне которого закреплен уплотнительный элемент, а на боковых стенках имеются впускные отверстия, причем торец плунжера с наружной стороны имеет конусное углубление, заканчивающееся шаровидной поверхностью, в которое входит самоустанавливающаяся подпружиненная опора, обеспечивает в исходном нерабочем состоянии клапана редукционного надежное перекрытие давления газа во входной камере (отсутствие самотека) за счет соосного совпадения отпечатка на уплотнительном элементе с сопрягаемым тупым конусом на цилиндрическом выступе корпуса с выходной камерой, причем тупой конус обеспечивает минимальную деформацию уплотнительного элемента, что повышает ресурс работы.
Припудривание мембраны порошком графита со стороны, прилегающей к поршню и стойке, уменьшает трение, что дополнительно обеспечивает более точное поддержание установленной величины выходного давления.
Введение на регулирующем винте гайки и контргайки обеспечивает фиксацию заданного давления.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - осевой разрез клапана редукционного в исходном состоянии;
фиг.2 - увеличенный осевой разрез места сочленения поршня, мембраны и стойки;
фиг.3 - увеличенный осевой разрез места сочленения плунжера, сопла и штока.
Клапан редукционный (фиг.1) содержит корпус 1, на трех взаимно перпендикулярных сторонах которого выполнены присоединительные отверстия 2, соединенные с выходной камерой 3, по вертикальной оси корпуса 1 выполнен цилиндрический выступ 4 с соосным сквозным отверстием, в которое установлен шток 5, имеющий продольные пазы для прохода газа, сверху на шток установлена гайка 6, под гайку на шток установлена пружина сжатия 7, торец выступа 4 имеет форму тупого конуса с углом от 150 до 170 градусов с плавным закруглением пересечения отверстия с конусной поверхностью, образующим седло, выступ размещается во входной камере 8, выполненной в нижнем корпусе 9, который соединен с корпусом 1 с использованием уплотнения 10, на цилиндрический выступ 4 установлен плунжер 11 в виде цилиндрического стаканчика, на дне которого закреплен уплотнительный элемент 12, а на боковой цилиндрической стенке плунжера выполнены впускные отверстия 13, на наружном торце плунжера выполнено конусное углубление, заканчивающееся шаровидной поверхностью, которое контактирует с самоустанавливающейся подпружиненной опорой 14, на боковой стенке нижнего корпуса 9 выполнено присоединительное отверстие 15, соединенное с входной камерой 8, на верхней плоскости корпуса 1 по вертикальной оси установлена стойка 16, имеющая центральное сквозное отверстие, со стороны, обращенной к выходной камере, стойка имеет цилиндрический выступ, центрирующий ее соосно с вертикальной осью, а выход центрального сквозного отверстия скруглен, между корпусом 1 и стойкой 16 закреплена мембрана 17, которая в центре имеет цилиндрический выступ, входящий в центральное отверстие стойки, наружный периметр мембраны оформлен в виде кольца, которое является уплотняющим элементом, со стороны стойки мембрана припудрена порошком графита, сверху в центральное отверстие стойки установлен поршень 18, в верхней части поршень имеет кольцевой буртик, ограничивающий его вхождение в центральное отверстие стойки, в буртике выполнены отверстия, в которые проходят ограничители 19, закрепленные в отверстиях стойки для ограничения линейного и углового перемещения поршня, со стороны кольцевого буртика в поршне соосно вертикальной оси выполнено глухое отверстие, в которое запрессован подпятник 20 с конусным углублением, заканчивающимся шаровидной поверхностью, контактирующей с самоустанавливающейся нижней опорой 21, которая поджимается задающей пружиной сжатия 22, сверху на задающую пружину сжатия установлена верхняя опора 23, имеющая удлиненный цилиндрический выступ, расположенный соосно вертикальной оси, внутри задающей пружины сжатия 22, между выступом на опоре 23 и противолежащей плоскостью на опоре 21 в свободном состоянии задающей пружины сжатия 22 имеется зазор А, по величине равный максимальному рабочему ходу задающей пружины 22, на верхней опоре 23 с наружной стороны соосно с вертикальной осью выполнено вертикальное отверстие, в которое запрессован подпятник 24, аналогичный подпятнику 20, который контактирует с шаровидной поверхностью регулирующего винта 25, ввинчиваемого в резьбовую втулку 26, закрепленную на дне крышки 27, выполненной в виде стакана, которая по резьбе соединена со стойкой 16 и зафиксирована контровочными винтами 28, на регулирующий винт навинчены гайка 29 и контргайка 30.
Клапан редукционный работает следующим образом. В исходном (закрытом) состоянии уплотнительный элемент 12 плунжера 11 прижат к седлу в виде скругленной кромки, образованной пересечением конусной поверхности выступа 4 с отверстием, силой пружины, действующей на самоустанавливающуюся опору 14 и силой от давления газа во входной камере 8. При вращении регулирующего винта 25 по часовой стрелке сила задающей пружины сжатия 22 через самоустанавливающуюся нижнюю опору 21 передается поршню 18. Перемещение поршня передается через мембрану 17 и шток 5 плунжеру 11, который, перемещаясь, открывает проход газу из входной камеры 8 в выходную камеру 3 через кольцевой зазор, образуемый между седлом и уплотнительным элементом 12 на плунжере 11 и далее через присоединительные отверстия 2 в выходной газопровод. Так как выходная камера 3 имеет три присоединительных отверстия 2, то два отверстия могут быть использованы для присоединения манометра и предохранительного клапана.
При достижении в выходной камере 3 давления газа заданной величины сила, действующая через мембрану 17 на поршень 18, и сила задающей пружины сжатия 22 уравновешиваются и клапан редукционный работает в установившемся режиме.
При изменении режима, например, при увеличении расхода газа в выходном газопроводе задающая пружина сжатия 22 переместит поршень 18 в сторону увеличения кольцевого зазора между седлом и уплотнительным элементом 12 и наоборот, при уменьшении расхода газа, причем перемещения поршня 18 происходят с плавным отслеживанием режима работы за счет присущей ему массы и компрессии, что предотвращает неустойчивую работу и возникновение автоколебаний, а припудренная порошком графита поверхность мембраны 17, прилегающая к стойке 16 и поршню 18, уменьшает ее трение о сопрягаемые поверхности и тем самым увеличивается ресурс работы и одновременно способствует тому, чтобы плавно и стабильно поддерживать заданное выходное давление газа.
При расходах газа больше предельной нормы, предусмотренной конструкцией, происходит максимальное перемещение поршня 18 в сторону увеличения зазора между седлом и уплотняющем элементом 12, причем величина максимально необходимого перемещения поршня 18h ограничена ограничителями 19 и определяется исходя из равенства площадей кольцевого зазора между седлом и уплотнительным элементом 12 и отверстием в цилиндрическом выступе 4 по следующей формуле: h=0,5r, где r - радиус отверстия в цилиндрическом выступе 4.
Ограничение хода поршня в пределах необходимой (достаточной) величины за счет введения в конструкцию ограничителей 19 предохраняет мембрану 17 от ненормированной деформации, что увеличивает ресурс и дополнительно способствует устойчивой работе клапана редукционного.
Гайка 29 и контргайка 30, навинченные на регулирующий винт 25, используются для ограничения ввинчивания регулирующего винта 25 в пределах допустимой нормы давления газа в газопроводе, присоединенном к выходной камере 3, что обеспечивает дополнительную безопасность при работе.
При сборке-разборке клапана редукционного, например, при съеме или установке крышки 27, ограничители 19 не допускают ненормированного перемещения и поворота поршня 18 и тем самым исключается разрушение мембраны 17.