ДРОССЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
THROTTLE-CONTROL VALVE

Изобретение относится к области энергетического арматуростроения и, в частности, к дроссельно-регулирующей арматуре.
Известны регулирующие клапаны, например, паровой турбины, содержащие клапанную коробку (корпус), золотник со штоком и отводящий диффузор. Обтекаемая поверхность золотника может иметь самую разнообразную форму от шарообразной поверхности до сложной профилированной поверхности (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. МЭИ. 2005 г., стр.289). Главным недостатком существующих дроссельно-регулирующих клапанов является их повышенная вибрация, которая на некоторых режимах достигает недопустимо больших значений, что чаще всего приводит к разрушению штока.
Этот недостаток почти отсутствует в перфорированных клапанах, где золотник выполняется с внутренней полостью, которая соединяется с пространством за золотником с помощью отверстий перфорации, равномерно распределенной по всей поверхности, расположенной ниже посадочного диаметра (SU 399671 А1, 03.10.1973 - прототип).
Однако при сплошной перфорации обтекаемой поверхности на ряде режимов в клапанном канале возникает сложное вторичное течение, - обусловленное тем, что за посадочным диаметром вдоль поверхности золотника имеет место при шаровой форме золотника достаточно интенсивное повышение давления на клапане (частичное открытие золотника). Указанная разница давлений приводит к перетеканию части рабочего тела через отверстия перфорации из донной части золотника в область низкого давления, расположенную непосредственно за посадочным диаметром. Это вторичное (поперечное) течение нарушает плавность расходной характеристики клапана, и на некоторых режимах подъем золотника не ведет к адекватному увеличению расхода, поскольку поперечный сброс рабочего тела из внутренней полости золотника затрудняет основное течение и на таких режимах генерирует добавочные пульсации давления в потоке.
В профилированных клапанах (фиг.2), где клапанный канал на частичном подъеме золотники представляет собой осесимметричное кольцевое сопло Лаваля, картина течения оказывается еще более сложной, так как здесь на значительном расстоянии после посадочного диаметра имеет место конфузорное течение со снижением давления по потоку с последующим его повышением в оставшейся части канала. При этом на частичных открытиях золотника и больших перепадах давления в таком канале реализуются сверхзвуковые режимы течения со скачком уплотнения внутри канала. В случае сплошной перфорации обтекаемой поверхности золотника это ведет к интенсификации поперечного течения рабочего тела в зоне конфузорного течения.
Предлагаемое изобретение призвано снизить отрицательные последствия указанных вторичных течений и обеспечить стабильное течение и плавность расходной характеристики рассматриваемых клапанов при всех положениях золотника.
Для достижения этой цели предлагается сплошную перфорацию обтекаемой поверхности золотника заменить перфорацией только части поверхности, с уменьшением диаметров отверстий перфорации по ходу потока.
На фиг.1 показан клапан с частичной перфорацией шаровой поверхности золотника. На фиг.2 изображен профилированный клапан с частичной перфорацией обтекаемой профилированной части золотника.
п
1
2
3
Как для шарового (фиг.1), так и профилированного (фиг.2) золотников их внутренняя полость 1 соединена с пространством диффузорного седла 2 с помощью трех рядов отверстий перфорации 3, 4, 5, которые располагаются на части обтекаемой поверхности ниже посадочного диаметра D, причем диаметры отверстий перфорации d, d, d уменьшаются по ходу потока.
Целесообразность такого расположения отверстий перфорации определяется тем, что при малых открытиях клапана только на входной части обтекаемой поверхности золотника сохраняется конфузорный характер течения со снижением давления по ходу потока, а затем при сверхкритических скоростях течения в последующих скачках уплотнения происходит резкое повышение давления и при сплошной перфорированной поверхности возникают интенсивные вторичные течения через внутреннюю полость клапана. Отрицательные последствия таких течений рассматривались выше.
Отмеченные скачки уплотнения располагаются примерно на половине длины образующей, очерчивающей профиль золотника. Отсюда следует, что область частичной перфорации на обтекаемой поверхности золотника должна располагаться в верхней части этой поверхности, занимая не более половины длины образующей, которая очерчивает эту поверхность.
1
2
2
2
0
0
2
2
p
Необходимость использования не менее трех поясов перфорации вытекает из необходимости исключения кризисного снижения усилий на шток клапана с последующим резким увеличением на шток динамических нагрузок при переходе от дозвуковых к сверхзвуковым течениям в проточной части клапана. На регулирующих клапанах энергетических паровых турбин такие режимы возникают в области малых открытий клапана  (, где h - подъем клапана, a D - диаметр узкого сечения диффузорного седла). Для иллюстрации сказанного на фиг.3 приведена осциллограмма усилий на штоке модельного профилированного клапана при его открытии, равном , и непрерывном увеличении относительного давления ∈ (∈=P/P, где P - начальное давление рабочей среды в клапанной коробке, а Р - давление за клапаном) от докритических к сверхкритическим значениям (∈<0,5). Указанная осциллограмма была получена при одном поясе перфорации, расположенном вблизи посадочного диаметра D.
2
Видно, что при с ∈=0,46 произошло резкое снижение усилия на штоке с последующим развитием весьма больших пульсаций осевой силы.
2
2
При двух поясах перфорации кризисное падение усилий на штоке произошло при ∈=0,521 и резко снизились пульсации силы на штоке с уменьшением величины ∈ до значения 0,403 (фиг.4).
2
Переход к трем поясам перфорации (фиг.5) обеспечит почти бескризисное снижение усилий на штоке при переходе в область сверхкритических перепадов давления (∈<0,5).
Одновременно произошло и дальнейшее снижение амплитуды пульсаций давления.
Целесообразность снижения диаметров отверстий перфорации по ходу потока определяется тем обстоятельством, что все регулирующие клапаны работают в исключительно широком диапазоне изменения перепадов давления и при этом могут занимать любое положение в пределах изменения относительной высоты подъема золотника от  до .
В результате даже при частичной перфорации один или даже два последних по ходу потока пояса перфорации могут оказаться в области повышенного по отношению к первому поясу давления. В этом случае при уменьшенных диаметрах отверстий перфорации последующих поясов перфорации интенсивность перетекания рабочей среды через внутреннюю полость золотника оказывается низкой, неспособной нарушить плавность расходной характеристики клапана.
Таким образом использование частичной перфорации обтекаемой поверхности золотника совместно с уменьшением по ходу потока диаметров отверстий перфорации позволяет резко снизить интенсивность вторичных течений через внутреннюю полость золотника, а при увеличенном диаметре отверстий первого ряда относительно отверстий перфорации последующих рядов за счет снижения нормальной к поверхности золотника скорости эти перетекания уже практически не могут влиять на расходную характеристику клапана, поскольку первый ряд перфорации как на шаровом, так и на профилированном клапанах всегда находится в зоне конфузорного течения, где внешние возмущения весьма быстро затухают.