САМОДЕЙСТВУЮЩИЙ КЛАПАН

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится, преимущественно, к области насосо- и компрессоростроения.
Уровень техники
Всасывающие и нагнетательные клапана являются «сердцем» поршневого компрессора, в связи с чем, к ним предъявляются высокие требования надежности.
Конструкция большинства известных клапанов, используемых в компрессорах, включает седло, ограничитель подъема (хода) клапана и размещенные между ними подпружиненные запорные элементы, перекрывающие проходные каналы седла (см. патент RU 2244186, МПК: F16K 15/08, опуб. 10.01.2005 г.; патент RU 2290558, МПК: F16K 15/16, оп. 27.12.2006 г.; патент US 6149400, F04B 49/00, oп. 21.11.2000 г.). В качестве пружин обычно используют точечные цилиндрические или конические пружины, которые размещают в специальных цилиндрических гнездах ограничителя подъема (хода) клапана.
Пружины являются наиболее частой причиной сбоев, т.к. имея малую толщину, они наиболее чувствительны к различным агрессивным факторам рабочей среды. Наиболее непреодолимой проблемой является наводороживание пружин, их водородное охрупчивание. Подобрать материал для пружин клапана, отвечающий всем требованиям суровых условий эксплуатации достаточно сложно. Чаще всего их изготавливают из дорогих высолегированных сталей, соблюдая высокие требования к гладкости поверхности проволоки, т.к. в царапинах неизбежно развивается коррозия, приводящая к поломке пружин. Еще одним недостатком использования пружин является то, что при ударе запорного элемента об ограничитель происходит отрыв пружины от последнего, приводящий к возникновению дополнительных вибрационных колебаний, что снижает долговечность работы клапана.
Известна конструкция клапана поршневого компрессора, в которой для уменьшения ударных нагрузок на ограничитель и повышения долговечности работы клапана используют пару магнитов, один из которых установлен запорном органе, а другой, соосно ему, - в ограничителе подъема клапана, при этом магниты обращены друг к другу одноименными полюсами (см. патент на изобретение SU №1032217, МПК: F04B 39/10, F16K 15/08, опубл. 30.07.1983 г). Однако в известной конструкции не исключены пружины, посредством которых запорный орган поджат к седлу, а значит - имеют место все вышеупомянутые проблемы.
В качестве наиболее близкого, по наличию сходных конструктивных признаков, аналога для заявляемого решения принят беспружинный клапан, патент на изобретение US 7533692, МПК: F16К 15/02, F16R 31/08, опуб. 19.05.2009 г., предназначенный для использования в компрессорах, перемещающих жидкости и газы. Клапан содержит седло и ограничитель подъема с каналами для прохода текучей среды, и размещенные между ними запорные элементы (органы), перекрывающие проходные каналы седла. Согласно одному из вариантов упомянутого решения, запорные органы взаимодействуют с толкателями, расположенными с обратной стороны от поверхности запирания и установленными с возможностью возвратно-поступательного перемещения в специальных гнездах ограничителя подъема. Вместо пружин в конструкции клапана используют магниты, попарно обращенные друг к другу одноименными полюсами. Один магнит пары установлен во внутренней полости толкателя, а другой, т.н. «магнит отпора» выполнен со сквозным отверстием для дренажа и размещен в упомянутом гнезде ограничителя подъема, снабженном дренажным осевым каналом.
Благодаря тому, что в конструкции клапана пружины полностью заменены на магниты, отсутствуют и все связанные с ними вышеупомянутые проблемы.
Однако упомянутый беспружинный клапан имеет повышенную сложность изготовления, обусловленную использованием для закрепления магнитов промежуточных деталей особой формы, а также характеризуется невысокой надежностью работы в условиях повышенной загрязненности рабочей среды, в которой обычно присутствует большое количество примесей. Примеси будут накапливаться во внутренней полости толкателя вышеупомянутого клапана, куда они поступают по дренажному каналу, ухудшая работу его подвижных элементов.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности работы клапана, особенно в условиях работы с загрязненными и увлажненными газами, а также упрощение технологии его изготовления.
Основным положительным результатом заявляемого технического решения стало улучшение циркуляции охлаждающей среды и исключение засорения каналов, в которых перемещаются подвижные элементы.
Поставленная задача решена и положительный результат достигнут благодаря тому, что в самодействующем клапане, содержащем седло и ограничитель подъема с каналами для прохода рабочей среды и размещенные между ними с возможностью перемещения запорные органы, взаимодействующие с толкателями, установленными с возможностью возвратно-поступательного перемещения в гнездах ограничителя подъема, имеющих цилиндрическую форму, а также совокупность демпфирующих устройств, каждое из которых выполнено в виде пары обращенных друг к другу одноименными полюсами магнитов, один из которых установлен в толкателе, а второй - в соответствующем гнезде ограничителя подъема, где перемещается упомянутый толкатель, и выполнен со сквозным дренажным каналом, согласно заявляемой полезной модели, толкатель выполнен в виде цилиндрического стержня, имеющего со стороны торца, размещенного в гнезде ограничителя подъема, глухое отверстие для установки магнита и продольные лыски на наружной боковой поверхности, при этом толкатель и ограничитель подъема изготовлены целиком из материалов, не обладающих магнитными свойствами.
Конструкция толкателя, выполненного в виде цилиндрического стержня с продольными лысками на наружной поверхности и постоянным магнитом в одном из торцов, представляет собой «закрытую» конструкцию, в которой отсутствуют внутренние полости. Магнит занимает весь объем глухого отверстия толкателя, исключая наличие свободных полостей, в которые могла бы попасть рабочая среда. Закрепление магнитов в отверстии толкателя и гнезде ограничителя подъема осуществляется, предпочтительно посредством адгезионного материала, т.е. магниты вклеиваются в отверстия, при этом адгезионный материал заполняет все мелкие полости, исключая доступ рабочей среды. Отверстия для установки магнитов выполняют по форме и размерам соответствующими форме и размерам магнитов.
Выполнение на наружной поверхности толкателя лысок позволило уменьшить площадь контакта трущихся поверхностей и получить достаточно широкие каналы для обтекания толкателя рабочей средой, поступающей при закрытии клапана через дренажные отверстия ограничителя подъема и размещенного в нем магнита.
Упомянутые каналы образованы между поверхностями лысок толкателя и внутренней стенкой цилиндрического гнезда ограничителя подъема, в котором толкатель перемещается. Каналы равномерно расположены вокруг толкателя.
Наличие таких каналов обеспечило возможность свободной циркуляции рабочей среды вокруг толкателя на высокой скорости, что позволило повысить эффективность охлаждения толкателя в процессе работы, обеспечить его качественную продувку и исключить возможность засорения каналов, где перемещаются толкатели, примесями, содержащимися в прокачиваемой среде.
В отличие от прототипа, заявляемый клапан имеет более простую конструкцию, характеризующуюся меньшим количеством деталей и их более простой формой исполнения. В целом предлагаемая конструкция клапана, основанная на использовании вместо пружин магнитов, отличается высокой эксплуатационной надежностью и большим ресурсом работы. Срок эксплуатации клапанов заявляемой конструкции составляет не менее 25000 часов, что соответствует 3 годам непрерывной работы.
Ограничитель подъема и толкатель должны быть изготовлены из материала, сплава, не обладающего магнитными свойствами.
Для изготовления ограничителя подъема, предпочтительно, использование материала, выбранного из ряда: нержавеющая сталь, сплав алюминия, сплав латуни, пластмасса.
Для изготовления толкателя, а также запорных органов, предпочтительно, использование материалов на основе пластических масс. Примером таких материалов являются пластические массы на основе полиэфирэфиркетона (PEEK). Этот новый конструкционный полимер отличается повышенной износостойкостью, механической прочностью и ударной вязкостью, устойчивостью к различным химическим и тепловым воздействиям, малым весом и низкими издержками производства, служит заменой алюминия и других металлов.
Для изготовления запорных органов может быть использован титан.
Предпочтительно, чтобы магнит был несколько утоплен в отверстии толкателя так, чтобы его торец располагался бы ниже края отверстия, на 0.1-1 мм, но не более 2 мм. Это позволит исключить вероятность соударения магнитов между собой и предотвратить их разрушение.
Предпочтительно выполнение толкателя с тремя лысками, равномерно размещенными по окружности его боковой поверхности. Каждая лыска при этом ориентирована под углом 60° к соседним. Такое исполнение обеспечивает наиболее устойчивое положение толкателя в отверстии, исключить вероятность его перекоса, и при этом обеспечить его качественную продувку.
На конце стержня толкателя, вокруг входа в отверстие, может быть выполнена фаска, образующая на его наружной боковой поверхности конусный участок. Это также позволяет улучшить условия обтекания стержня толкателя рабочей средой и уменьшить динамические сопротивления.
Запорные элементы клапанов предпочтительно выполнены с выпуклой поверхностью запирания. Такой профиль обеспечивает наиболее плавный поток газа и наименьшие гидравлические сопротивления.
Заявляемое решение применимо для клапанов с различной конструкцией запорных органов, которые могут быть выполнены в виде концентричных колец, дисков или штучных грибообразных элементов.
Краткое описание чертежей
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где
На фиг.1 показан кольцевой клапан, в разрезе, выполненный согласно заявляемой полезной модели;
На фиг.2 - изображен фрагмент с фиг.1, увеличено;
На фиг.3 - сечение А-А с фиг.2, показано поперечное сечение толкателя, с тремя (а) и четырьмя (б) лысками на боковой поверхности;
На фиг.4 - изображен дисковый клапан с использованием заявляемой полезной модели;
На фиг.5 - показан клапан с грибообразными запорными элементами, выполненный согласно заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
Самодействующий клапан (см. фиг.1, 2) содержит седло 1 и ограничитель подъема 2 с каналами для прохода рабочей среды, запорные органы 3 с поверхностью 4, обеспечивающей запирание проходного канала 5 седла 1. С обратной стороны, относительно поверхности 4 запорного органа 3, расположен толкатель 6, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндрическом гнезде 7 ограничителя подъема 2.
Вместо пружин, для демпфирования запорных элементов, в конструкции клапана использованы пары соосно установленных магнитов 8 и 9, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Магнит 8 установлен в глухом отверстии на торце толкателя 6, размещенном в гнезде 7 ограничителя подъема 2, и утоплен относительно края отверстия на 0.3-0.5 мм. При этом толкатель 6 выполнен в виде цилиндрического стержня с продольными лысками 10 на наружной боковой поверхности, равномерно разнесенными по ее окружности.
Количество лысок не ограничивается и определяется конкретными условиями производства и эксплуатации клапана. На фиг.3а показан предпочтительный случай реализации толкателя с тремя лысками 10, ориентированными под углом 60° друг к другу. На фиг.3б показан толкатель с 4-мя лысками 10 на боковой поверхности.
Магнит 9 выполнен с осевым дренажным отверстием 11 и установлен в гнезде 7 ограничителя подъема 2, выполненном с осевым дренажным каналом 12.
Установка и закрепление магнитов 8 и 9 в гнездах ограничителя подъема и толкателя осуществляется любым известным способом, например посредством адгезионного материала.
Заявляемое техническое решение может быть использовано для клапанов с различными запорными органами. Так на фиг.1 показан кольцевой клапан с запорными органами 3, выполненными в виде концентричных колец.
На фиг.4 показан пример реализации дискового клапана. В этом случае, демпфирующие устройства на основе магнитов используют как для основного запорного диска 3, так и для двух дополнительных (демпфирующих) дисков 13 и 14, при этом в последних выполняют дополнительные отверстия для прохода толкателей 6, взаимодействующих с основным запорным диском 3.
На фиг.5 показан пример реализации заявляемого устройства в клапане с грибообразными запорными органами. В этом случае запорные элементы 3 выполнены в виде точечных деталей типа «шляпки» гриба, жестко соединенных с соответствующими толкателями.
Запорные органы 3, предпочтительно изготовлены из пластических масс на основе PEEK, либо титана.
Толкатель 6 и ограничитель подъема 2 целиком изготовлены из материалов, не обладающих магнитными свойствами: нержавеющей стали, сплава алюминия, латуни или пластических масс, что обеспечивает нормальную работу магнитов.
Устройство работает следующим образом.
Самодействующий клапан устанавливается в цилиндре компрессора (на чертежах не показан). Запорный элемент 3 под действием возникшей разницы давлений открывает проходной канал 5 седла 1, воздействуя при этом на толкатель 6, который перемещается в гнезде 7 ограничителя подъема 2.
Поток рабочей среды проходит из каналов 5 седла 1 через каналы 15 ограничителя подъема 2. Выполнение поверхности 4 запорного органа 3 выпуклой обеспечивает наилучшие условия для протекания рабочей среды.
По мере открытия клапана происходит выравнивание давлений, способствующее началу закрытия клапана. Одновременно магнит 8 толкателя входит в зону действия магнита 9, возникает сила отталкивания, т.к. магниты расположены одноименными полюсами навстречу друг другу. Сила магнитного поля выполняет функции пружины, демпфирующей запорный орган 3 при открытии клапана и ускоряющей его движение обратно. Таким образом, магниты 8 и 9 обеспечивают создание усилия, необходимого для закрытия клапана запорным элементом при отсутствии пружины.
В таком клапане значительно меньше вибрационный фон и снижены динамические нагрузки, за счет наиболее мягкого движения запорных элементов, что в итоге повышает надежность работы клапана.
После закрытия клапана некоторая часть рабочей среды по дренажным каналам 12 и 11 возвращается. Беспрепятственно проходя по каналам 16, образованным между лысками 10 толкателя 6 и цилиндрической поверхностью гнезда 7 ограничителя подъема 2, эта среда охлаждает поверхность толкателя, и удаляется. При этом ширина каналов 16 позволяется примесям, содержащимся в ней также беспрепятственно удаляться. Свободному обтеканию также способствует наличие фаски 17 на конце стержня толкателя.
Предложенный клапан может быть использован как в компрессорах различного назначения, так и в качестве обратного клапана в трубопроводах или других устройствах.