ТАРЕЛЬЧАТЫЙ КЛАПАН
DISC VALVE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к клапанным устройствам, особенно для насосов для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в т.ч., к буровым, нефтепромысловым и скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности.
Известен тарельчатый клапан бурового насоса, содержащий установленные в корпусе насоса седло с конической уплотняющей поверхностью, тарелку с уплотнительным кольцом, подпружиненную относительно корпуса к седлу, седло в нижней части снабжено кронштейном с центральным сквозным отверстием, а тарелка -выполненным ответно отверстию направляющим стержнем (см. патент РФ №2223435, МПК F16K 15/02, опубл. 10.02.2004, бюл. №4).
Недостатками клапана является недостаточная пропускная способность вследствие сужения прохода седла направляющей тарелки, а также недостаточный ресурс клапана вследствие интенсивного износа конической уплотняемой поверхности седла и тарелки при перекачивании абразивосоджержащих жидкостей и при незначительном нарушении соосности тарелки и седла.
Известен клапанный узел штангового скважинного насоса (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М. 1988, с. 22), содержащий седло, запорный орган, выполненный в виде шарика, ограничитель подъема запорного органа.
Недостатками известного клапана являются значительное запаздывание закрытия клапана, особенно при подъеме вязкой нефти, вследствие ограниченности веса шарика.
Известен тарельчатый клапан скважинного штангового насоса, содержащий установленные в корпусе седло и тарелку, установленные с возможностью взаимодействия по конической опорно-уплотнительной поверхности, в верхней части корпуса выполнены сквозные центральное и периферийные отверстия, а тарелка снабжена верхним направляющим стержнем, ответно выполненным центральному отверстию, при этом тарелка подпружинена к седлу относительно корпуса (см. Долов Т.М. Исследование работы клапанных узлов скважинных штанговых насосных установок. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2017, л. 19-20, рис. 1.6).
Оснащение тарелки пружиной обеспечивает снижение закрытия клапана.
Недостатками известного устройства являются недостаточный ресурс клапана вследствие интенсивного износа конической уплотняемой поверхности седла и тарелки при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, а также нарушение герметичности клапана при потере соосности тарелки и седла, например, при подъеме нефти с наклонных скважин. Независимо от глубины сквозного центрального направляющего отверстия, верхний направляющий стержень тарелки устанавливается с гарантированным зазором. При наклоне насоса и клапана относительно вертикали соосность тарелки и седла нарушается.
Известен тарельчатый клапан, содержащий установленные в корпусе седло и тарелку с конической опорно-уплотняющей поверхностью, корпус и тарелка снабжены ответно выполненными центральным сквозным отверстием и стержнем, при этом тарелка подпружинена к седлу относительно корпуса (см. кн: Валитов М.З. Расчет и проектирование буровых и нефтепромысловых насосов. Монография. Волгоград, ВолгГТУ, 2003, с. 111, рис. 3.12), который принят за прототип.
Отсутствие направляющей тарелки в проходе седла повышает пропускную способность клапана.
Недостатками известного устройства являются недостаточный ресурс клапана вследствие интенсивного износа конической уплотняемой поверхности седла и тарелки при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, а также нарушение герметичности клапана при потере соосности тарелки и седла. При отклонении клапана от вертикали может нарушатся соосность тарелки и седла.
Целью предлагаемого технического решения являются повышение ресурса и герметичности клапана.
Указанная цель достигается тем, что в тарельчатом клапане, содержащем установленные в корпусе седло и тарелку с верхним направляющим стержнем, взаимодействующие по опорно-уплотнительным поверхностям седла и тарелки, клапан в верхней части снабжен диском со сквозными центральным и периферийными отверстиями, а тарелка подпружинена относительно диска к седлу, согласно техническому решению, опорно-уплотнительная поверхность тарелки выполнена сферической, радиус которой равен расстоянию от середины оси центрального отверстия до опорно-уплотнительной поверхности седла.
Клапан снабжен направляющим узлом, включающим диск, жестко соединенным с седлом посредством, как минимум, тремя стержнями.
Стержни в нижней части жестко соединены с разрезным пружинным кольцом, а в верхней части седла ответно пружинному кольцу выполнена кольцевая канавка.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг.1 представлен общий вид тарельчатого клапана поршневого насоса;
На фиг.2 - вид сверху на фиг.1;
На фиг.3 - разрез А-А на фиг.1;
На фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1;
На фиг.5 - тарельчатый клапан скважинного штангового насоса;
На фиг.6 - разрез В-В на фиг.5;
На фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.5;
На фиг.8 - вариант исполнения тарельчатого клапана со сферической опорно-уплотнительной поверхностью седла.
Тарельчатый клапан поршневого насоса (Фиг. 1-4) содержит установленный в корпусе 1 насоса (на фиг. не показан) клапан 2 в сборе, включающий седло 3, тарелку 4, например, со сферической опорно-уплотнительной поверхностью 5 и верхним направляющим стержнем 6. Седло 3 снабжено, например, съемным направляющим узлом 7, включающим верхний диск 8 со сквозными центральным 9 и периферийными 10 отверстиями. Центральное отверстие 9 выполнено ответно стержню 6. Узел 7 в нижней части снабжен разрезным пружинным кольцом 11, ответно выполненным кольцевой канавке 12 в верхней части седла 3. Верхний диск 8 и нижнее пружинное кольцо 11 соединены между собой, например, как минимум, тремя стержнями 13, расположенными на равном угловом расстоянии друг от друга.
Тарелка 4 пружиной 14 подпружинена относительно диска 8. Нижняя часть 15 верхнего диска 8 в центральной части может быть цилиндрической, ответно внутреннему диаметру пружины 14.
Центром сферической опорно-уплотнительной поверхности 5 радиусом «R» является середина центрального сквозного отверстия 9 длиной «L», выполняющего функцию направляющей тарелки 4.
Тарельчатый клапан штангового насоса (Фиг. 5-7) содержит установленные в корпусе 16 клапана седло 3, тарелку 4, например, со сферической опорно-уплотнительной поверхностью 5 и верхним направляющим стержнем 6. Седло 3 фиксировано переводником 17.
В верхней части корпус 16 клапана снабжен диском 18, в котором выполнены сквозные центральное 9 и периферийные 10 отверстия. Центральное отверстие 9 выполнено ответно направляющему стержню 6. Тарелка 4 пружиной 14 подпружинена к седлу 3.
Центр сферической опорной-уплотнительной поверхности 5 тарелки радиусом «R» совпадает с серединой центрального отверстия 9 длиной «L», являющегося направляющей тарелки 4.
Опорно-уплотнительная поверхность 19 (фиг.8) седла 3 клапана может быть выполнена сферической, при этом центр сферической поверхности 19 находится в середине центрального отверстия 9.
Тарелка 4 может быть снабжена уплотнительным кольцом 20, имеющего возможность взаимодействия с упорно-уплотнительной поверхностью 19.
Тарельчатый клапан, например, поршневого насоса работает следующим образом.
При повышении давления под тарелкой 4 (фиг.1-4) последняя поднимается, преодолевая усилие пружины 14 и вес тарелки 4. Жидкость из- под тарелки 4 перетекает на верхнюю часть тарелки 4.
При снижении расхода жидкости через клапан снижается и перепад давления в щели (на фиг. не показана) также снижается. Под действием усилия пружины 14 и веса тарелки 4, последняя опускается на седло 3. При возможном отклонении тарелки 4 от оси сквозного центрального отверстия 9, тарелка 4 точно и с высокой герметичностью сажается на седло 3, т.к. центр поворота тарелки 4 совпадает с центром опорно-уплотнительной сферической поверхности 5 тарелки 4.
При перекачивании насоса жидкости, содержащей механические примеси и абразивы, они при посадке тарелки 4 на седло 3 не попадают на поверхность контакта, представляющую узкую полосу.
Работа тарельчатого клапана (фиг.5-7) штангового наоса аналогична работе предыдущего клапана.
При повышении давлении под клапаном тарелка 4 поднимается вверх, преодолевая вес тарелки 4 и усилие пружины 14. Жидкость из-под клапана через образованную щель (на фиг. не показана) между седлом 3 и тарелкой 4 поднимается вверх. При снижении расхода жидкости через клапан понижается также перепад давления в щели. При этом тарелка 4 начинает опускаться на седло 3. При установке насоса в наклонных скважинах (на фиг.не показана) тарелка наклоняется от оси центрального отверстия 9 на величину, зависящую от величины радиального зазора между отверстием 9 и направляющим стержнем 6. Так как центр поворота тарелки 4 совпадает с центром сферической опорно-уплотнительной поверхности 5 тарелки 4, тарелка 4 точно с высокой герметичностью опускается на седло 3.
При подъеме штанговым насосом абразивосодержащей пластовой среды исключается попадание абразивных частиц на поверхность контакта тарелки с седлом.
Работа клапана на фиг.8 аналогична клапану на фиг.1-4. Оснащение тарелки 4 уплотнительным кольцом 20 позволяет снизить трудоемкость изготовления и затраты на обслуживание.
Таким образом, выполнение направляющей клапана выше тарелки, опорно-уплотнительную поверхность 5 тарелки 4 сферической с центром в средней части центрального отверстия, позволяют точную посадку опорно-уплотнительной поверхности на седло при отклонении оси тарелки от оси центрального отверстия, исключается попадание абразивных примесей между уплотнительными поверхностями тарелки и седла.