Двухзапорный клапан
TWO-WAY VALVE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к арматуре для трубопроводов энергетических установок, характеризующихся сложными условиями эксплуатации, высокими требованиями по надежности и максимальными ограничениями по массогабаритным характеристикам.
Изобретение может быть использовано для обеспечения безопасной работы паропроизводящей установки в качестве запорного устройства, обеспечивающего двойное перекрытие проходного сечения.
Известны конструкции клапанов двухзапорных по авторским свидетельствам SU 1635663 A1, F16K 31/14, 1987 г. и SU 1376671 A1, F16K 11/10, 1986 г., в которых запорные элементы выполнены в виде цельносоставных цилиндрических деталей, соединенных с коаксиально расположенными штоками, имеющими сальниковое уплотнение.
Такое конструктивное исполнение не обеспечивает самоустановку запорных органов относительно уплотнительных седел в корпусе, снижая степень герметичности затворов в закрытом состоянии клапана, и открытие их происходит при полном перепаде давления рабочей среды, действующего на них.
Известен клапан по авторскому свидетельству СССР 1137848, F16K 11/10, 1983 г., состоящий из двух запорных органов: основного, соединенного с внутренним штоком посредством разъемного соединения, и дополнительного, соединенного с наружным штоком с помощью гибкого элемента.
К его недостаткам можно отнести следующее:
- угловой перекос штоков при закрытии клапана дополнительным запорным органом приводит к ухудшению герметизации затвора относительного уплотнительного седла корпуса;
- соединение дополнительного запорного органа непосредственно с наружным штоком с соединением их между собой с помощью герметизирующего элемента затрудняет самоустановку дополнительного затвора относительно уплотнительного седла корпуса;
- при повышении давления рабочей среды в отсеченном участке трубопровода для открытия дополнительного запорного органа требуется приложить к наружному штоку дополнительное усилие;
- центрирование основного запорного органа относительно уплотнительного седла корпуса за счет направляющего стержня в цилиндрической втулке корпуса снижает площадь проходного сечения, что влечет за собой ухудшение гидравлических характеристик.
Наиболее близким по конструкции является клапан двухзапорный по патенту RU 2711796 C1, F16K 11/10, 2019 г. Данное техническое решение является прототипом для предлагаемой конструкции двухзапорного клапана.
Клапан содержит два запорных органа: основной, соединенный с внутренним штоком посредством разъемного соединения, и дополнительный, соединенный с наружным штоком герметично за счет упругой оболочки и подвижно, с контактом сферической поверхности промежуточной втулки с конической поверхностью опорного кольца. Наружный и внутренний штоки установлены с обеспечением зазоров между собой и корпусом.
К недостаткам указанного клапана следует отнести то, что наличие упругой оболочки способствует усложнению конструкции дополнительного запорного органа. Открытие дополнительного запорного органа при повышении давления рабочей среды в отсеченном участке трубопровода требует приложения к наружному штоку дополнительного усилия, что ведет к увеличению массогабаритных характеристик клапана, а центрирование основного запорного органа относительно уплотнительного седла корпуса за счет направляющего стержня в цилиндрической втулке корпуса снижает площадь проходного сечения, что влечет за собой ухудшение гидравлических характеристик.
Технической задачей является создание клапана двухзапорного, обеспечивающего самоустановку дополнительного запорного органа относительно уплотнительного седла корпуса и герметизацию разъемного соединения наружного штока с дополнительным запорным органом одновременно, снижение усилия, необходимого для открытия дополнительного запорного органа, и улучшение гидравлических характеристик.
Техническим результатом решения поставленной задачи является повышение надежности двухзапорного клапана, уменьшение габаритов привода и улучшение гидравлических характеристик.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в клапане двухзапорном, содержащем корпус с осевым и боковым патрубками, основной и дополнительный запорные органы, расположенные со стороны бокового патрубка, взаимодействующие с соосными уплотнительными седлами корпуса и соединенные с коаксиально расположенными внутренним и наружным штоками, имеющими упорные головки и управляемыми независимыми приводами, соединение дополнительного запорного органа с наружным штоком снабжено уплотнением в виде разгрузочного клапана, размещенного между запорным органом и наружным штоком и состоящего из уплотнительного пояска на упорной головке и внутреннего уплотнительного седла дополнительного запорного органа. При этом на упорной головке выполнены пазы, а в дополнительном запорном органе - сквозные отверстия, соединяющие при его открытии внутреннюю полость бокового патрубка с внутренней полостью корпуса, находящуюся между уплотнительными седлами.
Общий вид двухзапорного клапана представлен на чертеже, где:
- на фигуре 1 - положение «закрыто» для основного и дополнительного запорных органов;
- на фигуре 2 - положение «закрыто» для основного запорного органа, положение «открыто» для дополнительного запорного органа.
Клапан двухзапорный содержит корпус 1 с боковым и осевым патрубками, основной 2 и дополнительный 3 запорные органы, соединенные с коаксиально расположенными внутренним 4 и наружным 5 штоками, управляемыми независимыми приводами.
Корпус 1 имеет два соосно расположенных уплотнительных седла 6 и 7, размещенные со стороны подачи рабочей среды из бокового патрубка.
Внутренний 4 и наружный 5 штоки имеют упорные головки 8 и 9 соответственно для взаимодействия с запорными органами 2 и 3 при совершении открытия и закрытия.
На торце упорной головки 9 наружного штока 5 имеется уплотнительный поясок 10, выполненный в виде сферы.
На торце внутренней расточки дополнительного запорного органа 3 выполнено уплотнительное седло 11, имеющее конусную поверхность. Между уплотнительным седлом 11 и внутренним штоком 4 образовано проходное сечение 12, полученное выполнением в дополнительном запорном органе 3 отверстия 13, соединяющего внутреннюю полость дополнительного запорного органа 3 с внутренней полостью 14 между уплотнительными седлами 6 и 7.
Уплотнительный поясок 10 с уплотнительным седлом 11, контактируя между собой при закрывании дополнительного запорного органа 3, обеспечивают уплотнение соединения наружного штока 5 с дополнительным запорным органом 3.
Упорная головка 9 снабжена опорным буртом 15. Между опорным буртом 15 и опорным кольцом 16, расположенном во внутренней расточке дополнительного запорного органа 3, установлен упругий элемент 17, выполненный, например, в виде пакета тарельчатых пружин.
Внутреннее уплотнительное седло 11 дополнительного запорного органа 3 и уплотнительный поясок 10 на упорной головке 9 наружного штока 5, упругий элемент 17, опорный бурт 15 головки 9 и опорное кольцо 16 представляют собой разгрузочный клапан.
Дополнительный запорный орган 3 снабжен опорной гайкой 18, взаимодействующей своим торцом с опорным буртом 15 упорной головки 9 наружного штока 5. Между опорным буртом 15 и опорной гайкой 18 выполнен зазор 19, равный рабочему ходу разгрузочного клапана.
В опорной гайке 18 выполнены отверстия 20, а в упорной головке 9 - пазы 21 для прохода рабочей среды.
Уплотнительные седла 6 и 7 и взаимодействующие с ними основной 2 и дополнительный 3 запорные органы расположены последовательно по направлению хода потока рабочей среды, причем основной запорный орган 2 имеет центрирование по наружному диаметру относительно уплотнительного седла 2 по направляющим ребрам 22, установленным в корпусе 1 между уплотнительными седлами 6 и 7.
В корпусе 1 установлен дополнительный патрубок 23, соединяющий внутреннюю полость 14 с дополнительным трубопроводом установки.
Двухзапорный клапан работает следующим образом.
На фигуре 1 клапан показан в положении «закрыто», проходное сечение корпуса 1 перекрыто по двум уплотнениям, обеспеченным основным 2 и дополнительным 3 запорными органами.
При движении внутреннего штока 4 вниз усилие от привода передано через упорную головку 8 до упора основного запорного органа 2 в уплотнительное седло 6 корпуса 1.
При движении наружного штока 5 вниз усилие от привода, сжимая упругий элемент 17, передано через упорную головку 9 на уплотнение, образованное уплотнительным пояском 10 и уплотнительным седлом 11, и далее до упора дополнительного запорного органа 3 в уплотнительное седло 7 корпуса 1.
При своем перемещении основной 2 и дополнительный 3 запорные органы центрируются относительно уплотнительных седел 6 и 7 соответственно по направляющим ребрам 22 и 24.
При работе в дополнительном режиме для подачи рабочей среды через дополнительный патрубок 23 при закрытом основном запорном органе 2 наружный шток 5 при управлении от привода перемещается вверх для открытия дополнительного запорного органа 3 (см. фиг. 2).
При движении наружного штока 5 уплотнительный поясок 10 на упорной головке 9 отходит от уплотнительного седла 11, образуя проходное сечение для рабочей среды. Дополнительный запорный орган 3 в начальный момент остается в закрытом положении до сброса повышенного давления в боковом патрубке.
После сброса повышенного давления среды и дальнейшего перемещения наружного штока 3 упорная головка 9 воздействует торцевой поверхностью опорного бурта 15 на опорную гайку 18, открывая полностью основное проходное сечение по дополнительному запорному органу 3.
Пакет тарельчатых пружин 17 прижимает дополнительный запорный орган 3 в положении «открыто» к упорной головке 9 наружного штока 5, исключающая их вибрацию в потоке рабочей среды.
При необходимости открытия основного запорного органа для работы в основном режиме внутренний шток 4 совместно с основным запорным органом 2 перемещается вверх, открывая проходное сечение клапана.
Таким образом, снабжение соединения дополнительного запорного с наружным штоком двухзапорного клапана уплотнением в виде разгрузочного клапана, размещенного между дополнительным запорным органом 3 и наружным штоком 5 и состоящего из внутреннего уплотнительного седла 11 и уплотнительного пояска 10 на упорной головке 9 наружного штока 3, позволяет повысить надежность работы клапана и уменьшить массогабаритные характеристики привода, а размещение центрирующих ребер 22 для основного запорного органа 2 между уплотнительными седлами 6 и 7 в корпуса 1 способствует улучшению гидравлических характеристик.
Кроме того, наличие упругого элемента 17 в соединении дополнительного запорного органа 3 с наружным штоком 5 между упорной головкой 9 и опорным кольцом 16 улучшает вибрационные характеристики клапана.
Повышение надежности достигается за счет снижения жестких условий работы дополнительного запорного органа 3 - воздействия значительных силовых нагрузок на рабочие детали при открытии с высоким перепадом давления среды.
Уменьшение массогабаритных характеристик привода достигается за счет уменьшения усилия привода пропорционально снижению требуемого рабочего усилия для дополнительного запорного органа и, соответственно, уменьшения размеров силовых деталей привода.