ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
SHUT-OFF AND CONTROL VALVE WITH ELECTRIC ACTUATOR

Изобретение относится к области запорных и регулирующих клапанов, устанавливаемых в системах подачи газа, в частности, в системах регулирования газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов.
Известны запорные и регулирующие клапаны, управляемые пневматическими сервомоторами, в которых установлены постоянно действующие на закрытие силовые пружины (см., например, кн.: К.А. Тельнов и др. «Автоматизация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом». Л.: Недра, ЛО, 1983 г., стр. 36…41).
Известны регулирующие клапаны с электроприводом и запорные клапаны с электро- и электромагнитными приводами (см., например, кн.: Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков «Справочник конструктора трубопроводной арматуры». Л.: Машиностроение, ЛО, 1987 г., стр. 122…139, 148…154).
Известен метод защиты приборов от воздействия ЭДС самоиндукции включением в цепи питания их обмоток параллельно им диодов (при постоянном напряжении) (см., например, Интернет: https://totalkip.ru/artikles/metody_zaschity_ustroystv_ot_tokov_samoindukcii).
Известен клапан запорно-регулирующий, содержащий корпус, запорный плунжер, электромагнит, силовую пружину, ходовой винт, ходовую гайку и электродвигатель, где управление клапаном осуществляется отдельно устанавливаемым блоком управления и где экстренное закрытие клапана и быстродействие при этом обеспечивается при выключении электромагнита силовой пружиной, расположенной в корпусе электромагнита (см., например, патент на изобретение RU 2 172 885 С2 «Клапан запорно-регулирующий», опубл. 27.08.2001 г.) - прототип.
Недостатком прототипа является то, что при выключении электромагнита (для экстренного закрытия клапана) из-за возникновения при этом в его обмотке ЭДС самоиндукции, несмотря на применение для закрытия клапана силовой пружины большой мощности, быстродействие закрытия клапана недостаточно, особенно для стопорных клапанов.
Предлагаемое изобретение решает задачу оптимизации конструкции и повышения надежности срабатывания запорных и регулирующих клапанов с удерживающим электромагнитом в их приводе, устанавливаемых, в частности, в системах регулирования газотурбинных двигателей, путем размещения блока управления клапаном в его приводе и повышения быстродействия закрытия запорных и регулирующих клапанов нейтрализацией влияния ЭДС самоиндукции, что особенно важно при аварийных ситуациях.
Указанный технический результат в запорно-регулирующем клапане с электроприводом, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и седлом, запорный плунжер со штоком, корпус уплотнения и блок электропривода, включающий блок управления клапаном, электродвигатель, ходовые винт и гайку с резьбой, датчики положения и электромагнит с обмоткой и с размещенной внутри его корпуса и якоря силовой пружиной, одним торцом опертой на жестко связанную с корпусом электромагнита втулку, а другим торцом - на якорь электромагнита через шток запорного плунжера с возможностью перемещения их относительно друг друга и возможностью увеличения усилия силовой пружины на запорном плунжере после выключения электромагнита и закрытия клапана, согласно предлагаемому изобретению достигается тем, что нижняя (безрезьбовая) часть ходового винта, размещенного с возможностью взаимодействия посредством резьбы в выполненной внутри полого ротора электродвигателя и жестко с ним связанной ходовой гайке, жестко связана с втулкой корпуса электромагнита, а в цепи питания от встроенного в блок электропривода блока управления клапаном к обмотке электромагнита параллельно обмотке подключен блок подавления ЭДС самоиндукции;
при этом возможно, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных резистора и диода;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных варистора и диода;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде модуля формирования импульса ЭДС обратной полярности.
Отличительным признаком предлагаемого запорно-регулирующего клапана с электроприводом является то, что нижняя (безрезьбовая) часть ходового винта, размещенного с возможностью взаимодействия посредством резьбы в выполненной внутри полого ротора электродвигателя и жестко с ним связанной ходовой гайке, жестко связана с втулкой корпуса электромагнита, а в цепи питания от встроенного в блок электропривода блока управления клапаном к обмотке электромагнита параллельно обмотке подключен блок подавления ЭДС самоиндукции;
при этом возможно, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных резистора и диода;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных варистора и диода;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде последовательно соединенных конденсатора и резистора;
возможно также, что блок подавления ЭДС самоиндукции выполнен в виде модуля формирования импульса ЭДС обратной полярности.
Предлагаемый запорно-регулирующий клапан с электроприводом (далее - клапан) можно проиллюстрировать с помощью чертежей и схем, на которых показаны:
- фиг. 1 - продольный разрез клапана;
- фиг. 2 - вид А по фиг. 1 (вид сверху);
- фиг. 3 - вид в сечении Б-Б по фиг. 2 (выноска элемента с датчиками положения);
- фиг. 4, 5, 6, 7 - схемы подключения в цепи питания электромагнита различных вариантов блока подавления ЭДС самоиндукции.
В корпусе 1 клапана (см. фиг. 1, 2, 3) с входным 2 и выходным 3 патрубками установлены седло 4 и запорный плунжер 5 со штоком 6. На корпусе 1 установлен корпус уплотнения 7 (сквозь который пропущен шток 6), на котором размещен блок электропривода 8. В блоке электропривода 8 размещены состоящий из корпуса 9 с встроенной в нем обмоткой 10 и якоря 11 электромагнит 12 (удерживающий), а также электродвигатель 13 и блок управления клапаном (БУК) 14. Внутри корпуса 9 и якоря 11 электромагнита 12 размещена силовая пружина 15, опертая одним торцом на втулку 16, жестко связанную с корпусом 9 (или выполненную за одно целое с ним), а другим торцом опертая через тарель 17 и шток 6 на якорь 11. В размещенных в нижней крышке корпуса (поз. на фиг. 1 не обозначены) электродвигателя 13 подшипниках 18 установлен его выполненный полым ротор 19 с выполненной внутри него и жестко с ним связанной (или выполненной за одно целое) ходовой гайкой 20, в которой размещен с возможностью взаимодействия с ней посредством резьбы ходовой винт 21. На нижней крышке корпуса (поз. на фиг. 1 не обозначены) электродвигателя 13 укреплена также втулка 22, выполненная с возможностью перемещения по ней жестко связанной с корпусом 9 электромагнита 12 втулки 16 и внутри нее (втулки 22) нижней (безрезьбовой) части 23 ходового винта 21, жестко соединенной штифтом 24 с втулкой 16. На корпусе 9 электромагнита 12 выполнена шпонка 25 с возможностью перемещения в прорези 26 (см. фиг. 3) в корпусе (поз. на фиг. 1, 3 не обозначена) блока электропривода 8 и с возможностью «замыкания - размыкания» ей при этом соответствующего из установленных на корпусе блока электропривода 8 - микровыключателей (MB) 27, 28, соответственно, верхнего или нижнего положения корпуса 9 электромагнита 12. На якоре 11 выполнена шпонка 29 с возможностью перемещения в прорези 26 (см. фиг. 3) в корпусе (поз. на фиг. 1, 3 не обозначена) блока электропривода 8 и с возможностью контактирования (непрерывного) с датчиком положения 30 клапана. Внутри блока электропривода 8, на его нижней крышке (поз. на фиг. 1 не обозначена), соосно оси клапана установлена пружина 31 с возможностью постоянного контакта верхним торцом с якорем 11. В блоке управления клапаном 14 размещен блок подавления ЭДС самоиндукции 32, подключенный в цепи питания 33 (см. фиг. 4, 5, 6, 7) от блока управления клапаном 14 к обмотке 10 электромагнита 12 параллельно обмотке 10 (на фиг. 1 цепь питания 33 не показана, проложена внутри блока электропривода 8 через отверстие (на фиг. 1 не показано) в корпусе электродвигателя 13).
Варианты выполнения блока подавления ЭДС самоиндукции 32 в цепи питания 33 к обмотке 10 схематично представлены в виде последовательно соединенных, соответственно, резистора 34 и диода 35 (фиг. 4) или варистора 36 и диода 35 (фиг. 5) или конденсатора 37 и резистора 34 (фиг. 6), а также в виде модуля 38 формирования импульса ЭДС обратной полярности (фиг. 7).
Работает запорно-регулирующий клапан с электроприводом следующим образом (см. фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6,7).
Управление клапаном осуществляется встроенным в блок электропривода 8 блоком управления клапаном (БУК) 14 по командам из САУ газотурбинного двигателя с учетом сигналов от микровыключателей (MB) 27, 28 и датчика положения 30 клапана.
Для того чтобы клапан открыть (то есть запорный плунжер 5 поднять вверх) через БУК 14 подается питание на электродвигатель 13 и дается команда на вращение его установленного в подшипниках 18 ротора 19 с ходовой гайкой 20 в нем в сторону опускания ходового винта 21, а значит, и жестко связанного с ним через штифт 24 и втулку 16 корпуса 9, вниз до упора корпуса 9 в находящийся под действием силовой пружины 15 (через тарель 17 и шток 6) в нижнем положении якорь 11. При этом MB 27 размыкается (если был замкнут), MB 28 замыкается, датчик 30 сигнализирует о закрытом клапане. Подается напряжение постоянного тока 24 В по цепи питания 33 на обмотку 10 электромагнита 12, под действием магнитных силовых линий его корпус 9 и якорь 11 образуют единую жесткую конструкцию, после чего по команде на открытие клапана электродвигателем 13 посредством ходовой гайки 20, ходового винта 21, корпуса 9, якоря 11 и штока 6 перемещают запорный плунжер 5 вверх - клапан открывается. При этом MB 28 размыкается, датчик 30 показывает положение клапана, в верхнем положении корпуса 9 MB 28 замыкается. Укрепленная на нижней крышке электродвигателя 13 втулка 22 выполняет роль центрирующей для втулки 16 корпуса 9 и для безрезьбовой части 23 винта 21 при их перемещениях. При смыкании корпуса 9 и якоря 11 в единую жесткую конструкцию усилие силовой пружины 15 не передается на ходовой винт 21 и ротор 19, и при вращении винта 21 преодолевается только сопротивление силы трения и от перепада давления газа на плунжере 5 (при открывании клапана при давлении газа в полостях входного патрубка 2, в корпусе 1 над плунжером 5 под крышкой 7 и - после открытия плунжера 5 - в выходном патрубке 3).
При подаче аварийного сигнала на закрытие клапана БУК 14 прекращает подачу тока в обмотку 10, происходит размыкание силовых магнитных линий, под действием пружины 15 якорь 11 отрывается от корпуса 9 и вместе со штоком 6 и плунжером 5 быстро опускается вниз до упора плунжера 5 в седло 4. На закрытие плунжера 5 действует (с какого-то момента) также перепад давления газа. После закрытия плунжера 5 возможно также создание дополнительного усилия на его запорных кромках путем включения электродвигателя 13 на ход винта 21 вниз (в пределах его хода). То есть, если при выключении (размыкании) электромагнита 12 не происходит одновременно выключения электродвигателя 13 (по току), а наоборот, он получает импульс на движение винта 21 в сторону закрытия до крайнего нижнего положения корпуса 9, то пружина 15 сжимается втулкой 16 сильнее (относительно положения, при котором произошло аварийное закрытие) и создается тем самым большее усилие на плунжере 5, обеспечивая большее контактное давление на его запорных кромках. Это важно при работе клапана в качестве стопорного.
При закрытии клапана, используемого в качестве регулирующего, электродвигателем 13 без выключения электромагнита 12 при посадке плунжера 5 в седло 4 не образуется жесткого упора для электродвигателя 13, так как шток 6 остается неподвижным, а корпус 9 и якорь 11 имеют возможность под действием винта 21 двигаться вниз, сжимая пружину 15.
Поступательное перемещение винта 21, корпуса 9 и якоря 11 при вращении ходовой гайки 20 обеспечивают, перемещаясь в прорези 26 в корпусе электропривода 8 шпонки 25, 29 и одновременно, «замыкая - размыкая» соответствующий из микровыключателей 27, 28, выполняют функции датчика положения корпуса электромагнита и, с датчиком 30, соответственно, положения клапана. Пружина 31 служит для демпфирования якоря 11 при закрытии (экстренном) клапана с расцепленим электромагнита 12.
При простом (без защиты от ЭДС самоиндукции) выключении (разрыве) цепи питания обмотки 10 электромагнита 12 для экстренного закрытия клапана возникновение ЭДС самоиндукции приводит к росту напряжения на обмотке 10, что замедляет время закрытия клапана, а также может привести к межвитковому пробою в обмотке 10 или разрушению коммутаторного элемента в БУК 14. Применения для борьбы с ЭДС самоиндукции только диодной защиты также недостаточно для обеспечения необходимого быстродействия при размыкании электромагнита 10 для закрытия клапана (особенно при использовании его в качестве стопорного).
Подключение в цепи питания 33 обмотки 10 параллельно ей блока 32 подавления ЭДС самоиндукции, выполненного в виде последовательно соединенных резистора 34 и диода 35 (фиг. 4) или варистора 36 и диода 35 (фиг. 5) или конденсатора 37 и резистора 34 (фиг. 6), либо в виде модуля 38 формирования импульса ЭДС обратной полярности (фиг. 7), практически исключает влияние ЭДС самоиндукции при разрыве цепи электропитания 33 обмотки 10 электромагнита 12 на время закрытия клапана. При этом происходит значительное снижение тока в обмотке 10 и, соответственно, магнитный поток в магнитопроводе электромагнита 12 (корпусе 9, якоре 11) резко уменьшается и так же уменьшается силовое магнитное взаимодействие корпуса 9 и якоря 11, что приводит к снижению времени закрытия клапана, происходящее под действием силовой пружины 15.
В варианте выполнения блока подавления ЭДС самоиндукции в виде модуля 38 формирования импульса ЭДС обратной полярности (фиг. 7) энергия ЭДС самоиндукции подавляется запасенной в модуле 38 энергией равной величины.
В настоящее время образец предлагаемого клапана выполнен в металле.