КЛАПАН
VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводах преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды в качестве запорного клапана или запорно-регулирующего клапана.
Известен клапан (см. Д.Ф.Гуревич и др. «Арматура ядерных энергетических установок» М., Атомиздат, 1978, рис.3.25), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполнен в виде диска.
Недостатком данного клапана является необходимость приложения больших усилий к запорному элементу при его открытии или закрытии, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент.
Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и больших диаметральных габаритах пропускного сечения клапана, так как сила, действующая на клапан от давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально от указанных параметров. Другим существенным недостатком является неуравновешенность запорного элемента в высокоскоростном потоке рабочей среды, что сопровождается значительными вибрациями золотника, повышенным износом направляющих поверхностей и неустойчивостью в работе, особенно в запорно-регулирующем клапане.
Известны конструкции запорно-регулирующих клапанов фирмы «Фишер» (см. Д.Ф.Гуревич и др. «Арматура ядерных энергетических установок» М., Атомиздат, 1978, рис.4.6, стр.89). Проточная часть корпуса этого клапана выполнена в виде полого цилиндра с профилированными окнами. Поступательное перемещение полого цилиндрического плунжера внутри цилиндра корпуса регулирует расход рабочей среды. Отверстиями в верхней части плунжера он разгружен от статического давления, а тонкостенный корпус плунжера минимизирует гидродинамические усилия потока. Все это благоприятствует устойчивой работе клапана, уменьшает вибрацию затвора плунжера и существенно снижает усилие при регулировании и полном перекрытии потока. В этой конструкции герметизация плунжера относительно седла осуществляется набивочными уплотнительными кольцами по его наружному диаметру и посадкой плунжера на седло клапана. Основным недостатком данной конструкции является невозможность герметичности клапана в закрытом положении при температуре рабочей среды свыше 200°C. Уплотнительные набивочные кольца подвижных соединений могут быть герметичны только из материалов типа резины и фторопласта, применение которых и определяет указанный выше температурный предел.
Известно техническое решение клапана, содержащего корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, разгруженный запорный элемент, выполненный в виде плунжера, установленного в корпусе, с возможностью возвратно-поступательного движения относительно поверхности цилиндрического вкладыша, закрепленного в корпусе клапана, уплотнительные элементы, обеспечивающие герметичное перемещение плунжера, соединенного с приводом, при этом в цилиндре вкладыша выполнены отверстия, обеспечивающие соединение полостей входного и выходного отверстий клапана (см. RU 2200265 С1, кл. F16К 3/24, 03.10.2003).
Недостатком данного технического решения является температурное ограничение использования клапана до 200°C рабочей среды.
Наиболее близким техническим решением является конструкция клапана по патенту РФ №2298127.
Данная конструкция клапана содержит корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана, цилиндрический вкладыш с отверстиями, обеспечивающими соединение полостей входного и выходного отверстий, выемную часть, герметично установленную в корпус клапана с возможностью возвратно-поступательного движения плунжера относительно вкладыша, состоящая из двух одинаковых сильфонов, коаксиально установленных относительно корпуса выемной части и последовательно друг за другом, герметично соединенных между собой резьбовой втулкой через концевые детали сильфонов, одна из которых является плунжером с уплотнительной поверхностью, нижний торец нижнего сильфона соединен с заглушкой, а верхний конец верхнего сильфона герметично соединен с корпусом выемной части, при этом внутренние полости сильфонов сообщены между собой и внешней средой, а плунжер разгружен от давления рабочей среды и его перемещение обеспечивается приводом через шток, соединенный с резьбовой втулкой.
Недостатками данного технического решения являются ограничение возможностей по режимам и параметрам работы клапана, а также невысокая надежность клапана при определенных условиях работы.
Указанные недостатки выражаются в следующем:
- нельзя обеспечить большой перепад давлений сложным вкладышем (тримом) с соблюдением требований по малошумности и кавитации;
- нельзя обеспечить оптимальное усилие привода за счет выполнения необходимого среднего диаметра уплотнительной поверхности седла и плунжера;
- при выбранном диаметре сильфона нельзя увеличить пропускную способность клапана в открытом положении;
- резьбовое соединение вкладыша с корпусом клапана не позволяет обеспечить высокую надежность герметичного соединения седла с корпусом, особенно при высоких температурах рабочей среды из-за релаксации резьбы.
Задачей изобретения является создание конструкции клапана с расширенными режимами и параметрами работы с высокой надежностью при всех условиях работы.
Технический результат достигается за счет того, что вкладыш установлен между корпусом выемной части и седлом, обеспечивая осевое направление плунжера при его перемещении по внутренней цилиндрической поверхности вкладыша, заглушка выполнена в виде удлиненного стакана, установленного коаксиально внутри сильфонов, верхний конец стакана неподвижно соединен с установленным фланцем, который в свою очередь герметично соединен с корпусом выемной части, а неподвижное соединение конца штока привода с резьбовой втулкой обеспечивается соединительным элементом, для перемещения которого в стакане выполнены пазы, длина которых больше рабочего хода плунжера.
На чертеже изображен общий вид клапана.
Клапан содержит корпус 1 с выполненными в нем входным 2 и выходным 3 отверстиями. Корпус 1 имеет седло 4. Изображение выходного отверстия в нижней части корпуса является условным, так как клапан сохраняет работоспособность при любом положении выходного отверстия. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический вкладыш (трим) 5 с многочисленными отверстиями, обеспечивая соединение входного 2 и выходного 3 отверстий. Выемная часть состоит из двух одинаковых сильфонов 6, 7, коаксиально расположенных относительно корпуса 8 выемной части и последовательно установленных друг за другом, герметично соединенных между собой резьбовой втулкой 9 через концевые детали сильфонов, одна из которых является плунжером 10. Нижний торец сильфона 7 герметично соединен с заглушкой 11, выполненной в виде удлиненного стакана и установленного внутри сильфонов 6, 7. Верхний конец заглушки 11 неподвижно соединен с фланцем 12. Верхний конец сильфона 6 герметично соединен с корпусом 8 выемной части. Вкладыш 5 неподвижно установлен между корпусом 8 и седлом 4, а седло расположено между вкладышем 5 и корпусом 1. Между корпусом 8 и вкладышем 5 установлен уплотнительный элемент 13. Герметичность между седлом 4 и корпусом 1 обеспечивает уплотнительный элемент 14, а герметичность между корпусами 1 и 8 обеспечивается уплотнительным элементом 15. Герметизация фланца 12 обеспечивается уплотнительными элементами 16. Неподвижное соединение конца штока 17 привода с резьбовой втулкой 9 обеспечивается соединительным элементом, например, пальцем 18. Для поступательного перемещения пальца 18 в заглушке 11 выполнены пазы 19. Герметизация уплотнительных элементов 13, 14, 15 происходит усилием затяжки крепежа 20. Между сильфоном 7 и плунжером 10 имеется полость А. Между сильфоном 6 и корпусом 8 - полость Б. Внутренняя полость сильфонов 6, 7 соединены между собой и имеют сообщение с внешней средой, образуя полость С, которая на аварийный случай разрыва сильфона может быть герметично перекрыта поджатием сальника 21 к штоку 17.
Конструктивное отличие запорного клапана от запорно-регулирующего отличается только в конструктивном исполнении вкладыша 5.
Клапан работает следующим образом.
В открытом положении клапана плунжер 10, перемещаясь по внутренней цилиндрической поверхности вкладыша 5, поднят вверх, сильфон 6 сжат на величину рабочего хода и его сжатие определено жестким упором концевой детали сильфона в уступ корпуса 8. Сильфон 7 находится в свободном состоянии, полости А и Б находятся под давлением рабочей среды.
Плунжер 10 полностью разгружен от давления рабочей среды, шток привода 17 воспринимает только незначительные усилия от сжатия сильфона 6. Основное усилие от давления рабочей среды, воздействующей на эффективную площадь сильфонов 6, 7, воспринимает заглушка 11,  которая передает усилие сжатия через резьбовые соединения во фланце 12 на корпус 8 выемной части и на корпус 1 через крепеж 20.
Таким образом, также как и в прототипе, усилие от давления среды на сильфоны 6, 7 гасится на корпусе 1 клапана, но только через другую цепочку деталей, что позволило освободить полость под плунжером и, тем самым, получить следующий положительный эффект:
- при перемещении штока 17 вниз плунжер 10 перекрывает сечение входного отверстия корпуса 2, приближаясь к седлу,
- если обеспечить герметизацию вкладыша 5 с корпусом 8 элементом 13, то давление при этом за вкладышем 5 падает и, в отличии от прототипа, наружное давление на оба сильфона будет уменьшаться. Все это повышает надежность работы сильфонов и клапана в целом в процессе регулировки клапана,
ср. упл.
- изменением среднего диаметра уплотнительных поверхностей затвора Д появилась возможность оптимального подбора усилия привода,
- направление плунжера по внутреннему диаметру относительно вкладыша позволило применять вкладыш более сложной конструкции для получения более высокого перепада давления при регулировании и при этом достигнута возможность работы клапана без кавитационных процессов и уменьшена шумность работы,
- в предлагаемой конструкции достигнута возможность одновременно увеличить площадь проходного сечения внутри вкладыша, что позволило расширить пропускную способность клапана, по сравнению с прототипом,
- использование осевого усилия поджатая крепежа 20 для герметичной установки вкладыша 5 и седла 4 с двухсторонним уплотнением повышает технологичность конструкции, облегчает ремонт седла и клапана в целом.
Промышленная применимость очевидна. Опытное изготовление предлагаемой конструкции доказало ее эффективность.
Клапан, управляемый существующими приводами малой мощности в автоматическом режиме, может использоваться как отсечной клапан. Закрытие клапана происходит за короткий промежуток времени, благодаря разгруженному плунжеру. Клапан обеспечивает высокую герметичность в затворе (класс А) и герметичность относительно внешней среды при работе в интервале рабочих температур от - 260°C до 550°C.
Запорно-регулирующий клапан в отличие от существующих конструкций клеточного типа с разгруженным плунжером способен обеспечить в закрытом положении класс герметичности А и герметичность относительно внешней среды при работе в интервале рабочих температур от -260°C до 550°C.