РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН ОСЕВОГО ПОТОКА

Предполагаемая полезная модель относится к области арматуростроения, в частности к регулирующим клапанам для газовых магистралей высокого давления.
Известен запорно-регулирующий клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с седлом и внутренний корпус, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженный плунжер с уплотнительными элементами, размещенными во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизмом осевого перемещения плунжера. (1).
Недостатками конструкции является большая металлоемкость и масса клапана, что вызывает необходимость использования мощных приводов. Массивность элементов обуславливает их инерционность при открывании клапана, обуславливающую высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, трудности в осуществлении их плавной регулировки, что ведет к снижению герметичности и ресурса клапанов. Кроме того, клапан является узкодиапазонным по регулируемым параметрам из-за наличия уплотнительных элементов на плунжере, и ненадежен в условиях пуска и останова энергетических объектов.
Известен также регулирующий клапан осевого типа, содержащий разгруженный плунжер с уплотнительными поверхностями, размещенный во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором (2). На плунжере установлен металлический сильфон со складывающейся формой гофр, один конец которого герметично соединен с ним, а другой конец герметично соединен с внутренним корпусом, обеспечивая при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера по направлению к седлу против направления движения рабочей среды, при этом средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла, а внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном, площадь проходного сечения которого больше площади посадочного кольцевого зазора.
Недостатком клапана является сложность конструкции запорного органа, снабженного герметизирующим металлическим сильфоном, поддержание работоспособности которого требует дополнительного обслуживания оборудования байпасной линии. Нарушения и сбои в работе байпасной линии и сильфона приводят к недостаточной герметичности клапана, особенно при высоких давлениях регулируемой среды. Кроме того, наличие байпасной линии ведет к увеличению числа уплотнений в клапане, что снижает его надежность.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели регулирующему клапану осевого потока является регулирующий клапан, содержащий корпус и внутренний корпус-обтекатель, формирующие кольцевой проходной канал, соединенный с входным и выходным патрубками, и расположенный во внутреннем корпусе реечный механизм перемещения запирающего элемента, выполненного в виде поршня, расположенного внутри гильзы с отверстиями, с возможностью в одном режиме сообщения полости входного патрубка с полостью выходного патрубка, а в другом положении - перекрытия упомянутых отверстий гильзы, которая установлена в корпусе и выходном патрубке и поджата установочным элементом - седлом, с возможностью демонтажа последних, при этом ведомый шток, с установленным с возможностью демонтажа поршнем, соединен с ведущим штоком зубчато - реечного механизма и расположен, посредством уплотнителей, в направляющей втулке, выполненной из бронзы, имеющей со свободной стороны ведущего штока полость со смазкой.(3). Кроме того, поршень и гильза могут быть выполнены из алюминия, с упрочнением рабочих поверхностей плазменным электролитическим оксидированием, или из титановых сплавов, или из стали.
Недостатком известного клапана является отсутствие разгрузки на ведомом и ведущем штоках зубчато-реечного механизма. Перемещение ведомого штока в замкнутой полости направляющей втулки, где он расположен посредством уплотнителей, обуславливает увеличение нагрузки на привод, особенно при высоких давлениях регулируемой среды, а ведущий шток, перемещающийся в полости, не изолированной от давления рабочей среды, получает дополнительные нагрузки от последней, затрудняя работу привода. При этом, усилие на штоке зависит от величины давления рабочей среды в выходном патрубке, т.е. нагрузка на привод является величиной зависимой от давления рабочей среды, что приводит к преждевременному износу деталей привода и снижению надежности и долговечности.
Техническим результатом, обусловленным заявляемым в качестве полезной модели усовершенствованием конструкции регулирующего клапана осевого потока, является снижение нагрузки на привод и повышение надежности и долговечности конструкции.
Для достижения указанного технического результата в регулирующем клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и, размещенный внутри корпуса обтекатель, выполненный заодно целое с корпусом с образованием кольцевого канала, выходная часть которого перекрыта перфорированной отверстиями цилиндрической гильзой, жестко соединенной с кольцевым седлом, зафиксированным в выходном патрубке, с возможностью демонтажа последних, и, размещенный в цилиндрической гильзе с возможностью осевого перемещения внутри нее, цилиндрический поршень, закрепленный на ведомом штоке реечного механизма, ведущий шток которого соединен с приводом, согласно полезной модели, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление зубчато-реечного механизма и свободные торцы ведущего и ведомого штока расположены в сформированных для них полостях, при этом, полость косозубого зацепления зубчато-реечного механизма и полость торца ведущего штока изолированы от давления рабочей среды, а полость торца ведомого штока сообщена с полостью поршня.
Размещение косозубого зацепления зубчато-реечного механизма и торца ведущего штока в сформированных для них, изолированных от давления рабочей среды, полостях предотвращает воздействие последней на зубчато-реечный механизм и привод, и формирование разгрузочной камеры торца ведомого штока, сообщенной с разгрузочной камерой поршня, обеспечивает снижение усилия на приводе в результате уменьшения сопротивления при перемещении штока с поршнем. При этом, ни поршень, ни ведомый, ни ведущий штоки не испытывают усилия от действия дифференциального давления на них, т.е. независимо от величины давления рабочей среды усилие на приводе остается постоянным и минимальным. А уменьшение нагрузки на привод повышает надежность срабатывания клапана, снижает износ элементов косозубого зацепления, что повышает надежность и долговечность конструкции клапана.
Пример выполнения заявляемого регулирующего клапана осевого потока приведен на чертежах.
На фиг.1 приведен общий вид клапана в разрезе.
На фиг 2 представлен эскиз зубчато-реечного механизма в разрезе.
Регулирующий клапан осевого типа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным патрубком 3 и обтекатель 4, формирующие проходной кольцевой канал 5, на выходе из которого установлена гильза 6 с радиальными отверстиями 7, закрепленная седлом 8 и втулкой 9 в выходном патрубке. Внутри гильзы, с возможностью осевого перемещения, установлен поршень 10. Полость 11 поршня 10 сообщается с полостью выходного патрубка 3 посредством отверстий 12, выполненными в торце поршня, что обеспечивает выравнивание давления с обеих сторон поршня, тем самым разгружая его. Механизм перемещения поршня включает привод 13, и зубчато-реечный механизм, содержащий ведущий шток 14, посредством косозубого зацепления 15 взаимодействующий с ведомым штоком 16. Косозубое зацепление ведомого и ведущего штоков ограничено втулкой 17, зафиксированной в полости обтекателя 4. Во втулке 17 с высокой точностью выполнены два перпендикулярных отверстия 18 и 19, причем вертикальное отверстие 18 выполнено соосно отверстию 20, выполненному в корпусе 1. В отверстии 18 расположен ведущий шток 14. В отверстии 19 расположен ведомый шток 16. Полость отверстия 19 между подвижным уплотнением 21 и неподвижным уплотнением 22 и полость отверстий 18 и 20 образуют полость 23 косозубого зацепления, в которой также размещен и торец 24 ведущего штока 14, и которая изолирована уплотнительными элементами 25 и 26 от давления рабочей среды. Полость 27 отверстия 19, расположенная со стороны свободного торца 28 ведомого штока 16, изолирована пробкой 29 и уплотнением 30 от полости входного патрубка 2 и соединена каналами 31 и 32 с полостью поршня 11.
Работает клапан следующим образом.
Регулируемая среда, поступает во входной патрубок 2 и, проходя кольцевым каналом 5, сформированным корпусом 1 и обтекателем 4, через отверстия 7 гильзы 6 поступает в выходной патрубок 3. При необходимости уменьшения объема регулируемой среды (при закрывании клапана), поршень 10, посредством ведомого штока 16 и ведущего штока 14, смещается приводом 13 в правое положение, перекрывая отверстия 7 гильзы 6.
Объем проходящей регулируемой среды определяется числом открытых отверстий 7 в гильзе 6. При полностью перекрытых отверстиях гильзы клапан закрыт.
Открывание клапана производится приводом 13, задающим движение ведущему штоку 14, соединенному посредством косозубого зацепления 15 с ведомым штоком 16, который перемещает в левое положение поршень 10. При этом давление рабочей среды в полости 11 поршня 10 равно давлению в выходном патрубке 3 за счет наличия отверстий 12 в торце поршня, сообщающих указанные полости. Поршень полностью разгружен.
Давление рабочей среды в полости 27, сформированной для торца 28 ведомого штока 16, равно давлению в полости 11 за счет наличия каналов 31 и 32, сообщающих указанные полости; а, значит, и давлению в полости выходного патрубка 3. Шток полностью разгружен.
Полость 23 косозубого зацепления 15 изолирована от давления рабочей среды посредством уплотнительных элементов 21, 22, 25, 26, благодаря чему на торец 24 ведущего штока 14 не действует усилие от давления рабочей среды при перемещении поршня.
Следовательно, при перемещении поршня клапана не возникает нагрузок на поршень и элементы зубчато-реечного механизма, а, соответственно, и на привод, вызванных наличием дифференциального давления рабочей среды на указанные элементы. И, соответственно, усилие на приводе не зависит от величины этого давления.
Таким образом, выполнение регулирующего клапана осевого потока с разгруженным поршнем и ведомым штоком поршня и с изолированными от давления рабочей среды полостями косозубого зацепления и торца ведомого штока, обеспечивает снижение нагрузок на привод и повышает надежность и долговечность клапана.
Источники информации, принятые во внимание при анализе уровня техники:
1. «Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф.Гуревич и др. Атомиздат, 1978, стр.90, рис.4.7.
2. Описание к патенту РФ на изобретение №2267680 «Клапан осевого потока» по Кл. F16K 1/12, опубликовано 01.10.2006 г.
3. Патент РФ №77007 на полезную модель «Регулирующий клапан» по Кл. F16K 3/14, опубликован 10.10.2008