Запирающий элемент задвижки клиновой и задвижка клиновая
VALVE PLUG OF WEDGE GATE VALVE AND WEDGE GATE VALVE

Область техники
Изобретение относится к арматуростроению, в частности к задвижкам клиновым, и может быть использовано при изготовлении, эксплуатации и ремонте задвижек клиновых, применяемых в качестве запорной арматуры рабочих сред с большим давлением и высокой температурой на трубопроводах технологических систем атомных станций (АС), атомных электростанций (АЭС), тепловых электростанций (ТЭС), а также в магистральных нефте- и газопроводах в системах нормальной эксплуатации и в системах важных для безопасности.
Уровень техники
В ряде отраслей промышленности, в первую очередь в энергетической, применяют трубопроводную арматуру для установок и трубопроводов, работающих в различных средах и экстремальных условиях: при давлениях от тысяч атмосфер до глубокого вакуума, как при очень высоких, так и очень низких температурах. В связи с этим современное арматуростроение является самостоятельной отраслью промышленности, выпускающей арматуру различного назначения, размеров и конструкций.
Трубопроводная арматура тепловых цехов современных электростанций представляет собой один из наиболее сложных элементов оборудования.
Только на одном энергоблоке мощностью 1000 МВт установлено более четырех тысяч единиц арматуры, поэтому вопросы конструирования и изготовления надежной в эксплуатации трубопроводной арматуры, применения специальных материалов, а также методов ревизии и ремонта приобретают очень важное значение [Кижнер А.Х. Ремонт трубопроводной арматуры электростанций: Учеб. пособие для проф. обучения рабочих на производстве. - М.: Высш. школа, 1986. - 144 с., стр. 4].
Распространенной разновидностью запорной трубопроводной арматуры, предназначенной для перекрытия потока рабочей среды с определенной герметичностью, являются клиновые задвижки (задвижки клиновые), у которых запирающий элемент выполнен в форме клина и перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды, а уплотнительные поверхности расположены под углом друг к другу [ГОСТ Р 52720-2007. Арматура трубопроводная. Термины и определения].
Известны клиновые задвижки, в которых запирающим элементом является цельный клин, упругий клин или двухдисковый клин, приводимый в поступательное движение посредством вращающегося шпинделя (нем. Spindel, - «веретено») или штока (нем. Stock - «палка, стержень»), которые выполняют функцию кинематических элементов, осуществляющих передачу поступательного усилия от привода или исполнительного механизма [ГОСТ Р 52720-2007. Арматура трубопроводная. Термины и определения].
Конструкция клиновых задвижек с цельным или упругим клином связана с повышенной трудоемкостью изготовления и ремонта поврежденных деталей вследствие необходимости точного выполнения и подгонки каждого угла наклона клина и седел корпуса для обеспечения герметичности контакта уплотнительных поверхностей задвижки в положении «закрыто», а также с заклиниванием клина при длительной работе арматуры в положении «закрыто», в результате чего необходимы большие усилия для перевода затвора в положение «открыто» с частым повреждением привода.
Известны конструкции задвижек с запирающим элементом в форме двухдискового клина, которые в технологическом аспекте проще, но при их работе часто нарушается герметичность в местах контакта дисков клина с седлами корпуса в положении задвижек «закрыто» в результате недостаточно точного изготовления и/или изменения в процессе эксплуатации углов наклона и износа уплотнительных поверхностей дисков клина с седел корпуса.
Известна задвижка клиновая, содержащая корпус с входным и выходным патрубками, в проходных отверстиях которых установлены седла, и подвижный запорный орган. Направляющие пазы и выступы выполнены на соответствующих поверхностях запорного органа и корпуса. Одна из контактных поверхностей запорного органа перпендикулярна оси проходного отверстия корпуса. Вторая контактная поверхность подвижного запорного органа выполнена с углом наклона к оси проходного отверстия с образованием герметизирующего клинового эффекта. Расстояние от контактной поверхности, перпендикулярной оси проходного отверстия, до обращенной к ней стенки направляющей не меньше расстояния от нижней контактной точки седла поверхности до противоположной стенки направляющей [RU 2094682 F16K 3/12. Опубл. 27.10.1997].
Известна клиновая задвижка с самоустанавливающимися седлами, содержащая корпус, крышку, жесткий клин и самоустанавливающиеся седла, установленные в расточке корпуса. Седла уплотнены относительно корпуса кольцами пластического материала [RU 2153115 F16K 3/12. Опубл. 20.07.2000].
Недостатком подобных известных конструкций задвижек с жестким клином является неудовлетворительная герметичность, обусловленная погрешностями обработки жесткого клина, а также сложностью изготовлении и недостаточной надежностью работы задвижки из-за пластичности герметизирующего материала, который под действием жесткого клина и рабочей среды теряет свои свойства и деформируется в процессе работы.
Известна задвижка клиновая, содержащая корпус, крышку, сальниковый узел, шпиндель, шток, диски, маховик, гайку шпинделя, коническую обойму, цилиндрический стержень, в которой для обеспечения надежной работы, компенсации отклонения углов конических поверхностей при изготовлении, экономии протекающей через проточную часть арматуры рабочей среды в результате повышения герметичности сопряжение цилиндрического стержня с дисками выполнено по сфере, диски выполнены цилиндрическими и вставлены в коническую обойму, а соотношение диаметра цилиндрического стержня и диска выбрано 1:7 [RU 44781 F16K 3/12. Опубл. 27.03.2005].
Недостатком RU 44781 является наличие скрепляющей диски обоймы, увеличивающей массогабаритные характеристики запирающего узла, а также возможность изменения взаимного положения дисков только относительно оси цилиндрического стержня.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является задвижка клиновая, содержащая корпус с уплотнительными поверхностями и с расположенными в них дисками, закрепленными на подвижном штоке при помощи Т-образного паза, выполненного в виде проточек на дисках. В центральных частях дисков со сторон их прилегания друг к другу выполнены специальной формы впадины, в которых расположена бобышка цилиндрической формы со сферическими торцевыми поверхностями с получением шарнира между дисками. Бобышка образует с дисками клиновидной формы клин с изменяющимся посредством междискового шарнира углом (от 10 до 0°) относительно оси вращения штока в зависимости от перемещения дисков относительно уплотнительных поверхностей корпуса, в результате чего обеспечивается возможность перемещения дисков вокруг сферических поверхностей бобышки и более плотное прилегания дисков к корпусу задвижки. Это уменьшает регулировку при сборке и улучшает ремонтопригодность за счет возможности менее точной подгонки дисков к уплотняющим поверхностям корпуса [RU 2191941 F16K 3/312. Опубл. 27.10.2002 (прототип)].
Недостатком прототипа по RU 2191941 является технологическая сложность изготовления в дисках специальных выемок со сферическими поверхностями под сферические торцы бобышки, а также отсутствие средства крепления дисков относительно друг друга, что приводит к соскакиванию дисков со штока в положении задвижки "открыто" и выводу задвижки из режима нормального функционирования.
Общим недостатком известных конструкций запирающих элементов и клиновых задвижек в целом является недостаточная герметичность из-за отклонений и изменений углов и взаимного расположения уплотнительных поверхностей, обусловленных сложностью и неточностью обработки сопрягаемых уплотнительных поверхностей при их изготовлении и их деформированием и изнашиванием при функционировании клиновых задвижек, что приводит к нарушениям герметичности, а также отсутствие средств подвижного крепления дисков относительно друг друга, что приводит к соскакиванию дисков со штоков и шпинделей в положении задвижки "открыто" и соответствующему прекращению нормального функционирования задвижек.
Задача и технический результат
Задачей изобретения является устранение технических недостатков известных конструкций запирающих элементов и клиновых задвижек в целом.
Технический результат при осуществлении и промышленной реализации предлагаемой задвижки клиновой - повышение технологичности изготовления и ремонта, повышение надежности функционирования, уменьшение массы и габаритов запирающего элемента задвижки клиновой при сохранении и повышении уровня герметичности клиновой задвижки в местах контакта уплотнительных поверхностей дисков клина и корпуса.
Раскрытие сущности изобретения
Характерной отличительной особенностью предлагаемого запирающего элемента клиновой задвижки и клиновой задвижки в целом является оригинальная конструкция запирающего элемента в форме клина, содержащего два диска, подвижно соединенных друг с другом средством подвижного соединения дисков друг с другом относительно расположенного между дисками в центральной части сферического шарнира оригинальной конструкции с возможностью изменения взаимного расположения дисков в определенном диапазоне и самоустанавливающего плотного прилегания уплотняющих поверхностей дисков клина и корпуса друг к другу в положении задвижки "закрыто", а также выполнение дисков клина с одной стороны преимущественно перпендикулярно оси патрубков подвода и отвода рабочей среды и направления движения рабочей среды, а с другой стороны - под углом с преимущественным наклоном (конусностью) 1:10.
Взаимное подвижное соединение дисков друг с другом относительно расположенного между дисками в центральной части сферического шарнира обеспечивается посредством установленных с зазором в выемки дисков клина двухтавровых шпонок, надежно и подвижно соединяющих диски друг с другом с возможностью сохранения цельности клина в сборе в положении задвижки "открыто" и с возможностью движения дисков в определенном диапазоне относительно друг друга на расположенном в центральной части между дисками сферическом шарнире с изменением угла клина и герметичного самоустанавливания клина в седлах задвижки в положении «закрыто», в результате чего существенно повышается герметичность, надежность функционирования и технологичность изготовления и ремонта клиновой задвижки.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что запирающий элемент задвижки клиновой согласно изобретению выполнен в форме клина, образованного двумя дисками с уплотнительными поверхностями и расположенным между дисками сферическим шарниром, и со средством подвижного соединения дисков друг с другом, выполненным в виде двух расположенных сверху и снизу сферического шарнира двутавровых шпонок, установленных с зазором в Т-образных пазах в дисках с возможностью движения дисков относительно друг друга на сферическом шарнире.
При этом расположенный между дисками клина сферический шарнир выполнен в виде установленных в выемки дисков втулок-линз, одна из которых выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая - с вогнутой сферической поверхностью с возможностью установки под втулками-линзами во внутренних выемках дисков шайб-прокладок для регулирования величины расстояния между уплотнительными поверхностями дисков сообразно расстоянию между уплотнительными поверхностями корпуса.
При этом диски клина с обращенных друг к другу сторон выполнены преимущественно перпендикулярными относительно направления движения рабочей среды, а с других сторон выполнены под углом с преимущественным наклоном 1:10, уплотнительные поверхности дисков клина выполнены с износостойким наплавляемым покрытием и выполнены с возможностью присоединения к клину средства поступательного перемещения клина в корпусе клиновой задвижки в виде штока или шпинделя.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что задвижка клиновая согласно изобретению содержит
корпус с расположенными под углом уплотняющими поверхностями,
запирающий элемент в форме клина, образованного двумя дисками с уплотнительными поверхностями и расположенным между дисками сферическим шарниром,
и средство подвижного соединения дисков друг с другом, выполненное в виде двух расположенных сверху и снизу сферического шарнира двутавровых шпонок, установленных с зазором в Т-образных пазах в дисках с возможностью движения дисков относительно друг друга на сферическом шарнире и самоустановки дисков клина в уплотняющих поверхностях корпуса.
При этом расположенный между дисками клина сферический шарнир выполнен в виде установленных в выемки дисков втулок-линз, одна из которых выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая - с вогнутой сферической поверхностью, с возможностью установки под втулками-линзами во внутренних выемках дисков шайб-прокладок для регулирования величины расстояния между уплотнительными поверхностями дисков сообразно расстоянию между уплотнительными поверхностями корпуса.
Кроме этого, диски клина с обращенных друг к другу сторон выполнены преимущественно перпендикулярными относительно направления движения рабочей среды, а с других сторон выполнены под углом с преимущественным наклоном 1:10.
Задвижка клиновая содержит присоединенное к клину средство поступательного перемещения клина в корпусе задвижки в рабочие положения задвижки «открыто»/«закрыто» виде штока или шпинделя, приводимого в движение посредством механического, электрического, электромеханического или иного аналогичного по выполняемым функциям привода, уплотнительные поверхности в корпусе задвижки выполнены в виде втулок-седел с расположенными под углом уплотнительными поверхностями, а уплотнительные поверхности корпуса задвижки и дисков клина выполнены с износостойким наплавляемым покрытием.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан фронтальный разрез, а на фиг. 2 - вид сбоку варианта конструктивного исполнения клиновой задвижки, на которых показаны диски клина 1 с выделенными черным уплотнительными поверхностями и расположенным между дисками сферическим шарниром, выполненным в виде устанавливаемых во внутренние выемки дисков втулок-линз, одна из которых 4 выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая 5 - с вогнутой сферической поверхностью, корпус клиновой задвижки 6 с установленными в нем втулками-седлами 7 с расположенными под углом уплотнительными поверхностями, крышка корпуса 8 с отверстием для шпинделя или штока 9, приводимого в движение посредством механического или электрического привода 10.
На фиг. 3 - общий вид задвижки клиновой в сборе с вырезом четверти в корпусе и крышке.
На фиг. 4 показан общий вид запирающего элемента задвижки клиновой в сборе.
На фиг. 5 - запирающий элемент задвижки клиновой в разнесенном виде, где показаны диски клина 1 с выделенными черным уплотнительными поверхностями, устанавливаемые во внутренние выемки дисков втулки-линзы, одна из которых 4 выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая 5 - с вогнутой сферической поверхностью, верхняя соединительная шпонка 2 и нижняя соединительная шпонка 3.
На фиг.6 изображено сечение запирающего элемента задвижки клиновой, где показаны диски клина 1 с выделенными черным уплотнительными поверхностями и расположенным между дисками сферическим шарниром, выполненным в виде устанавливаемых во внутренние выемки дисков втулок-линз, одна из которых 4 выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая 5 - с вогнутой сферической поверхностью.
В показанном на чертежах варианте конструктивного исполнения диски подвижно соединены друг с другом верхней соединительной двухтавровой шпонкой 2 и нижней соединительной двухтавровой шпонкой 3.
Каждый из дисков клина 1 выполнен с внутренних сторон по отношении друг к другу преимущественно перпендикулярно оси патрубков подвода и отвода рабочей среды и направления движения рабочей среды, а с другой - под углом с преимущественным наклоном (конусностью) 1:10 с клинообразным расположением уплотняющих поверхностей дисков клина.
Показанная на чертежах горизонтальная ось - ось направления движения рабочей среды, а наклонные оси - оси обработки уплотнительных поверхностей и оси вращения дисков на сферическом шарнире относительно нормали конусности дисков клина.
На фиг. 7 и 8 показан вариант конструктивного исполнения сферического шарнира между дисками в виде устанавливаемых во внутренние выемки дисков двух втулок-линз, одна из которых (фиг. 7) выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая (фиг. 8) - с вогнутой сферической поверхностью, с центральными отверстиями для крепления втулок-линз во внутренних выемках дисков 1.
На фиг. 9 изображен общий вид соединительных шпонок в двутавровом исполнении.
Осуществление и промышленная реализация изобретения
Предлагаемая задвижка клиновая в показанном на чертежах фиг. 1-9 варианте конструктивного исполнения содержит предлагаемый запирающий элемент в форме клина, образованного двумя дисками 1 с уплотнительными поверхностями и расположенным между дисками сферическим шарниром, выполненным в виде устанавливаемых во внутренние выемки дисков втулок-линз, одна из которых 4 выполнена с выпуклой сферической поверхностью, а другая 5 - с вогнутой сферической поверхностью.
Корпус клиновой задвижки 6 содержит установленные в нем втулки-седла 7 с клинообразными уплотнительными поверхностями.
Крышка корпуса 8 содержит отверстие для прикрепляемого к клину средство поступательного движения клина в виде шпинделя или штока 9, приводимого в движение посредством механического, электрического, пневматического или иного аналогичного по выполняемой функции привода 10.
Диски клина с расположенных друг к другу сторон выполнены преимущественно параллельно друг другу и перпендикулярно оси патрубков и направлению движения рабочей среды, а с другой - под углом с преимущественным наклоном (конусностью) 1:10.
Относительно друг друга диски 1 подвижно соединены посредством двух двутавровых шпонок 2 и 3, расположенных соответственно над и под сферическим шарниром между дисками и свободно размещенных в соответствующих Т-образных выемках дисков.
Сферический шарнир расположен в центральной части между дисками клина и преимущественно выполнен в показанном на чертежах варианте конструктивного исполнения в виде двух втулок-линз 4 и 5, одна из которых 5 выполнена с выпуклой поверхностью, другая 4 - с вогнутой поверхностью с возможностью шарнирного сопряжения друг с другом и соответственного поворота дисков 1 клина относительно друг друга в ограниченном шпонками 2 и 3 диапазоне с изменениям углов наклона уплотнительных поверхностей дисков клина относительно друг друга и относительно уплотнительных поверхностей на установленных в корпусе 6 втулках-седлах 7 клиновой задвижки в сборе.
Диски клина 1 выполнены с одной стороны преимущественно перпендикулярно оси патрубков и оси направления движения рабочей среды, с другой - под углом с преимущественным наклоном 1:10 и подвижно соединены друг с другом посредством двутавровых шпонок 2 и 3.
Верхняя 2 и нижняя 3 соединительные двутавровые шпонки установлены соответственно сверху и снизу сферического шарнира в соответствующих выемках дисков клина с зазором, так что диски клина могут в определенном диапазоне свободно перемещаться относительно друг друга на расположенном между дисками сферическом шарнире.
Описанный выше запирающий элемент клиновой задвижки предназначен для использования в клиновой задвижке, конструктивно содержащей корпус 6 с патрубками подвода и отвода рабочей среды, крышку с отверстием для шпинделя или штока, шпиндель или шток 9 с присоединенным к нему с одной стороны клином, образованным двумя дисками 1, а с другой стороны соединенный с механическим или электрическим приводом 10.
Клин собирается из двух дисков 1, между которыми помещен сферический шарнир с дистанцирующими шайбами-прокладками, с помощью которых обеспечивается правильная ширина собранного клина сообразно расстоянию между уплотнительными поверхностями корпуса.
Взаимное положение дисков клина фиксируется двутавровыми шпонками.
Патрубки подвода и отвода рабочей среды задвижки клиновой могут быть выполнены под приварку, с фланцевыми или иными соединениями с трубопроводом рабочей среды.
Задвижка может быть снабжена указателями положения запирающего элемента.
Корпусные детали, детали запирающего элемента и привода изготавливают из обычно используемого материала, например из коррозионно-стойкой стали, а уплотнительные поверхности из износостойких уплотнительных наплавок, например согласно НП-068-05, а уплотнение мест присоединения крышки корпуса и сальниковые набивки из терморасширенного графита.
Заявляемый запирающий элемент для клиновой задвижки и клиновая задвижка изготавливаются из обычно используемых материалов по обычным технологиям изготовления трубопроводной арматуры с учетом условий их эксплуатации.
Заявляемая клиновая задвижка работает следующим образом:
Посредством механического или электрического или иного привода 10 сообщается поступательное движение шпинделю или штоку 9, соединенному с клином из двух дисков 1. В результате диски клина опускаются или поднимаются в зависимости от направления вращения привода 10, закрывая или открывая проходное сечение корпуса 6 с переводом в рабочие положения задвижки “закрыто”/”открыто”.
Передача вращения от привода осуществляется посредством шпоночного или кулачкового соединения. Вращательное движение привода переходит в поступательное движение штока, соединенного с клином, который перемещается по направляющим корпуса, открывая или закрывая проходное сечение задвижки.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что предлагаемая конструкция клина клиновой задвижки и клиновая задвижка в целом позволяют обеспечить их надежную работу, компенсировать отклонения углов наклона уплотнительных поверхностей клина при изготовлении и функционировании, экономить рабочую среду, протекающую через проточную часть задвижки, в результате высокой герметичности, обеспечиваемой самоустанавливающимся герметичным расположением дисков клина в проходном сечении корпуса задвижки.
Подробно раскрытые выше конструктивные и технологические особенности изобретений группы доказывают не только причинно-следственную связь существенных признаков и технического результата, но и доказывают возможность промышленной реализации изобретения и уверенное достижение технического результата, а именно при промышленной реализации изобретения обеспечиваются повышение технологичности изготовления и ремонта, повышение надежности функционирования, уменьшение массы и габаритов клина для клиновой задвижки (запорного органа клиновой задвижки) при сохранении и повышении уровня герметичности запирающих поверхностей клиновых задвижек в местах контакта уплотняющих поверхностей дисков клина с уплотнительными поверхностями в корпусе клиновой задвижки.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Сущность изобретения», доказанную в разделе «Осуществление и промышленная реализация изобретения», техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленной й задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели полезной модели, но и позволяют реализовать изобретения промышленным способом.
Кроме этого, анализ совокупности существенных признаков изобретения и достигаемого при использовании единого технического результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь между изобретениями группы, использование запирающего элемента задвижки клиновой непосредственно в задвижке клиновой, что позволяет объединить два изобретения в одной заявке.