КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ С ОСЕВЫМ ПОТОКОМ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ
VALVE CONTROL WITH AXIAL FLOW FOR ENERGY FACILITIES

Изобретение относится к машиностроению, в частности к клапанам осевого потока, применяемым в промышленной трубопроводной арматуре и предназначенным для регулирования и перекрытия рабочих сред, преимущественно жидкостных потоков, с большим давлением и с высокой температурой.
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, (см. «Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф.Гуревич и др. Атомиздат, 1978, стр.90, рис.4.7).
Клапан является узкодиапазонным по регулируемым параметрам из-за наличия уплотнительных элементов на плунжере и ненадежен в условиях пуска и останова энергетических объектов. Недостатками конструкции является также большая металлоемкость и масса клапана, что вызывает необходимость использования мощных приводов. Массивность элементов обуславливает их инерционность при открывании клапана, обуславливающую, в свою очередь, высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, что создает трудности в осуществлении их плавной регулировки и ведет к снижению герметичности и ресурса клапанов.
Кроме того, в выходном канале клапана, в результате воздействия на поверхность деталей седла и плунжера турбулентного потока транспортируемой жидкости и возникающих в нем кавитационных процессов, происходит эрозионный износ поверхностей последних. Клапан требует дополнительного упрочнения поверхностей деталей, контактирующих с рабочей средой, что резко повышает его стоимость.
Известен также регулирующий клапан с осевым потоком, 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 (см. RU 770077 U1, 10.10.2008). Для уменьшения нагрузок на привод и предотвращения процессов эрозионного износа деталей поршень и гильза могут быть выполнены из алюминия, с упрочнением рабочих поверхностей плазменным электролитическим оксидированием, или из титановых сплавов, или из стали.
Недостатком известной конструкции клапана является воздействие кавитационных процессов в турбулентном потоке транспортируемой жидкости на поверхности деталей в выходном канале, обуславливающее износ поверхности деталей клапана и соединенного с ним трубопровода и требующее упрочнения их поверхностей или выполнения из особо прочных материалов, что значительно повышает стоимость клапана и трубопровода.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по назначению, достигаемому результату и технической сущности является регулирующий клапан осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса с образованием кольцевого канала обтекатель, в выходной части которого размещен цилиндрический поршень, закрепленный на ведомом штоке реечного механизма, ведущий шток которого соединен с приводом (RU 84938 U1, 20.07.2009). В выходном патрубке клапана зафиксировано седло, с которым контактирует цилиндрический поршень, перемещаясь в конечное положение при перекрытии выходного канала, в котором установлена перфорированная кольцевая гильза. Цилиндрический поршень выполнен разгруженным посредством выполненных в нем параллельных оси каналов, соединяющих внутреннюю полость поршня с полостью выходного патрубка.
Недостатком клапана, при использовании его для регулирования расходных параметров потока теплоносителя энергетического объекта, является увеличение гидравлического сопротивления регулируемого потока рабочей среды в переходные моменты (в моменты открытия - закрытия клапана), что вызвано возникновением дополнительных турбулентных возмущений в потоке, ведущих к возникновению эффекта помпажа. В рабочих режимах клапана при регулировании расходных параметров жидкостных рабочих сред с высоким давлением и температурой избыточная турбулентность потока ведет к возникновению процессов кавитации на поверхности поршня, седла и трубопровода, что непредсказуемо влияет на процесс регулирования и обуславливает эрозионный износ их поверхностей.
Техническим результатом при использовании заявляемого в качестве изобретения клапана регулирующего осесимметричного для объектов энергетики является уменьшение влияния кавитационных процессов на контактирующие с рабочей средой поверхности и снижение турбулентности в проходящем через клапан потоке рабочей среды.
Для достижения указанного технического результата в клапане регулирующем с осевым потоком для объектов энергетики, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса с образованием кольцевого канала обтекатель, в полости которого подвижно вдоль оси клапана посредством зубчато-реечного приводного механизма установлен разгруженный цилиндрический поршень посредством параллельных его оси каналов, перекрывающий при перемещении выходной канал клапана и контактирующий при этом с кольцевым седлом, жестко закрепленным в выходном патрубке, согласно изобретению седло выполнено с направляющим кольцевым выступом в зоне контакта с поршнем, а поршень выполнен с вогнутой торцевой поверхностью, по периметру которой сформирована поверхность, ответная поверхности направляющего кольцевого выступа седла, при этом направляющий кольцевой выступ седла выполнен с диффузорным сечением и на его контактной поверхности может быть выполнен кольцевой паз, а также седло снабжено рассекателем потока, который установлен на его наружной торцевой поверхности и выполнен съемным в виде перфорированной пластины, на которой отверстия выполнены с переменным шагом перфорации и сгруппированы с меньшим шагом перфорации на участке, определяемом зоной максимальных скоростей выходящего потока.
Выполнение седла с направляющим кольцевым выступом диффузорного сечения в зоне контакта с поршнем и торцевой поверхности поршня вогнутой и с ответной контактной поверхностью относительно поверхности на выступе седла позволяют изменить направление потока в выходном канале клапана. Поток поступает в образуемую вогнутой торцевой поверхностью поршня полость, в которой происходит плавное изменение направления его движения, что уменьшает размер застойной зоны. Благодаря кольцевому выступу седла обеспечивается также антикавитационность клапана, т.к. даже при большом перепаде давления в момент открывания клапана поток жидкой рабочей среды имеет направление, уводящее его от поверхности поршня, т.е. из зоны возникновения кавитационных образований, что уменьшает воздействие кавитационных процессов на поверхность контактирующих с жидкостью деталей клапана и трубопровода.
При использовании клапана в газовой среде обеспечивается антипомпажность клапана, т.к. в режиме помпажа, возникающем в начальный момент открытия клапана при большом перепаде давлений, направление движения потока на входе в полость, сформированную вогнутой поверхностью поршня, происходит таким образом, что обеспечивается выравнивание потока газа в последней и уменьшает амплитуду пульсации давления.
Снабжение седла рассекателем, выполненным в виде перфорированной пластины, установленной на наружной торцевой поверхности седла, и распределение отверстий на поверхности рассекателя с переменным шагом перфорации, в частности с большим шагом в зоне максимальных скоростей выходящего потока, позволяет более равномерно перераспределить поток по сечению выходного патрубка клапана и примыкающего к нему трубопровода. При этом происходит также выравнивание давления по сечению трубопровода сразу за рассекателем, что уменьшает турбулентность потока и предотвращает создание условий для кавитационных процессов и устраняет их воздействие на поверхность трубопровода.
Съемное крепление рассекателя на торцевой поверхности седла позволяет осуществлять его извлечение и/или замену в процессе эксплуатации клапана без извлечения последнего из трубопровода.
Заявленный клапан регулирующий с осевым потоком для объектов энергетики поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен общий вид клапана регулирующего с осевым потоком для объектов энергетики в закрытом состоянии.
На фиг.2 представлен эскиз контакта поршня и направляющего выступа седла при закрытом клапане.
На фиг.3 представлен эскиз рассекателя, вид по оси клапана.
На фиг.4 представлена диаграмма распределения давления в потоке рабочей среды в клапане и трубопроводе.
На фиг.5 представлена диаграмма струй потока, проходящего через клапан при его открытии на 50%.
Клапан регулирующий с осевым потоком для объектов энергетики содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и закрепленный на крышке 4 корпуса посредством пилона 5 с образованием кольцевого канала 6 обтекатель 7, в полости которого подвижно вдоль оси клапана посредством зубчато-реечного приводного механизма 8 установлен разгруженный цилиндрический поршень 9. Разгрузка поршня осуществляется посредством параллельных его оси каналов 10, соединяющих объем внутренней полости А, сформированной за торцевой поверхностью 11 поршня, с полостью Б. Поршень 9, перекрывающий при перемещении выходной канал клапана, контактирует с кольцевым седлом 12, жестко закрепленным в выходном патрубке 3. Седло 12 выполнено с направляющим кольцевым выступом 13 с диффузорным сечением и с контактной поверхностью 14 в зоне контакта с поршнем 9. Торцевая поверхность 15 поршня выполнена вогнутой с образованием полости Б, и по периметру торцевой поверхности 15 сформирована контактная поверхность 16, ответная поверхности 14 направляющего кольцевого выступа седла. На контактной поверхности 14 кольцевого выступа седла выполнен кольцевой паз 17. Седло 12 снабжено рассекателем 18 потока, который установлен на его наружной торцевой поверхности 19 в полости В выходного патрубка и выполнен в виде перфорированной пластины, на которой отверстия 20 распределены с переменным шагом и выполнены с большим шагом на участке Г, определяемом зоной максимальных скоростей выходящего потока. Рассекатель 18 потока съемно закреплен на седле посредством резьбовых соединений 21, обеспечивающих возможность его ревизии и замены в случае необходимости.
Открывание клапана осуществляется перемещением зубчато-реечным механизмом 8 привода клапана поршня 9 внутрь полости обтекателя 7. Контактные поверхности: 14 - поверхность кольцевого выступа седла - и 16 - ответная поверхность, выполненная по периметру торцевой поверхности 15 поршня 9, размыкаются, рабочая среда по каналу 5, сформированному поверхностью обтекателя 7 и внутренней поверхностью корпуса 1, подводится к направляющему кольцевому выступу 13 седла 12 и начинает поступать в виде направленного потока в полость Б, образованную вогнутой торцевой поверхностью 15 поршня 9. Кольцевой паз 17 на контактной поверхности 14 направляющего кольцевого выступа 13 седла уменьшает усилие прижатия поршня к седлу, снижая нагрузку на привод. Через разгрузочные каналы 10 рабочая среда поступает во внутреннюю полость А поршня, выравнивая давление в обеих полостях и разгружая поршень. Поток рабочей среды в полости Б разворачивается вогнутой торцевой поверхностью 15 поршня и контактной поверхностью 16 и направляется в полость В седла 12, проходит через отверстия 20 рассекателя 18, установленного на торце 19 седла, и через выходной патрубок 3 выводится из клапана в трубопровод (на чертеже не показан). При прохождении потока жидкостной среды по каналу 6 поток рабочей среды, подходящий к кольцевому выступу 13 седла 12, формируется с неравномерным вектором скоростей по его сечению. Для выравнивания вектора скоростей в потоке на выходе из клапана отверстия 20 рассекателя 18 сгруппированы с большим шагом перфорации на участке, размещающемся в зоне максимальных скоростей потока.
При установке поршня 9 в крайнем положении в полости обтекателя 7 клапан полностью открывается. Закрывание клапана осуществляется в обратном порядке при перемещении поршня 9 зубчато-реечным механизмом 8 привода клапана в полости обтекателя 7 в сторону седла 12.
Использование заявленного клапана регулирующего с осевым потоком для объектов энергетики позволит стабилизировать поток рабочей среды в трубопроводе, предотвратит возникновение кавитационных процессов в жидкой рабочей среде.
Использование клапана в системах с газовой средой предотвратит возникновение явлений помпажа при пусковых режимах.