ЗАТВОР ДИСКОВЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ (ВАРИАНТЫ)
CONTROL DISK GATE (VERSIONS)

Группа изобретений, относящихся к вариантам затвора дискового регулирующего, относится к трубопроводной арматуре, предназначенной для регулирования давления или расхода газа в системах газоснабжения тепловых электростанций (ТЭС) и котельных.
Затвор дисковый регулирующий (далее затвор) может быть использован как регулирующее устройство в газорегуляторных пунктах (ГРП) или перед горелками газоиспользующих установок. При этом затвор должен решать задачу плавного изменения давления газа на выходе из ГРП или плавного изменения мощности горелки во всем диапазоне изменения угла поворота регулирующего элемента (далее РЭ).
N
Известно, что расходные характеристики затворов зависят от диаметра РЭ и степени его открытия (смотри расходные характеристики дисковых затворов - зависимость пропускной способности Kv от диаметра D регулирующего элемента и угла поворота φ регулирующего элемента. Каталог «Butterfly valves» фирмы TECOFI от 13.02.2009 г., http://www.tecofi.fr/). Из этих характеристик видно, что даже незначительное изменение положения РЭ приводит к значительному изменению пропускной способности затвора (в особенности это относится к РЭ большого диаметра). Наибольшая крутизна в расходных характеристиках наблюдается именно на малых углах поворота РЭ, где 10°<φ<20°. Следовательно, необходимость обеспечения пологости расходной характеристики затвора, в особенности, требуется на малых углах поворота РЭ. К тому же известно, что у неплотно закрывающихся затворов не представляется возможным определить расходную характеристику при 0°≤φ<10°.
Известен затвор дисковый регулирующий (GB, патент 2192226 А, F02D 9/10, F16K 1/22, опубл. 06.01.1988 г.), принятый в качестве прототипа для первого и второго изобретений. Известный затвор предназначен для регулирования расхода воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) автомобиля. Затвор содержит корпус, регулирующий элемент (диск), расположенный во внутренней полости корпуса и жестко закрепленный на валу. Вал расположен в подшипниках и имеет возможность поворачиваться. На валу закреплен один из концов рычага. К другому концу рычага прикладывается усилие от исполнительного механизма. Особенностью известного затвора дискового регулирующего является то, что в исходном состоянии (φ=0°) между корпусом и диском образован значительный кольцевой зазор. Кольцевой зазор решает две задачи. Во-первых, он предотвращает заклинивание диска в корпусе в результате теплового расширения. Во-вторых, величина кольцевого зазора в исходном положении (φ=0°) рассчитывается из того условия, чтобы через зазор проходило достаточное количество воздуха для работы ДВС в режиме «холостого хода».
Перед затвором, расположенным перед горелкой, стоит аналогичная задача, а именно через затвор в исходном его положении должно проходить необходимое количество газа, достаточное для розжига горелки.
Недостатком известного затвора дискового регулирующего (GB 2192226А) является то, что отсутствует возможность изменения величины «значительного кольцевого затвора» в исходном положении. Следовательно, отсутствует возможность изменения количества рабочей среды, достаточного, например, для работы ДВС в режиме «холостого хода» или для розжига горелки. Если бы в известном затворе была возможность изменять исходное положение РЭ, при котором бы φ≠0°, то стало бы возможным изменять величину зазора и выполнить затвор без значительного кольцевого зазора в закрытом состоянии, когда φ=0°.
В качестве первого и второго вариантов конструктивного выполнения затвора предложено изделие, управление которым возможно как вручную, так и с помощью исполнительного механизма.
В качестве третьего и четвертого вариантов конструктивного выполнения затвора предлагается законченное изделие, в котором управление РЭ производится электрическим исполнительным механизмом, стационарно закрепленным на корпусе затвора.
Из патентной литературы известен затвор дисковый регулирующий (GB патент 2393497, кл. F02D 9/10, опубл. 31.03.2004 г.), принятый в качестве аналога для третьего и четвертого изобретений. Затвор предназначен для регулирования газовоздушной смеси, подаваемой в ДВС автомобиля. Затвор содержит корпус и РЭ, расположенный в корпусе и закрепленный на валу. На валу расположены два рычага РЭ (первый и второй рычаги РЭ), при этом первый рычаг РЭ жестко закреплен на валу, а второй рычаг расположен на валу РЭ с возможностью вращения. Первый и второй рычаги РЭ имеют на вторых концах продольные вырезы, в которых установлен болт, с помощью которого рычаги РЭ шарнирно соединены с одним из концов тяги. Другой конец тяги соединен с рычагом исполнительного механизма. Для открытия затвора рычаг исполнительного механизма поворачивается против часовой стрелки, а рычаги РЭ за счет соединения с рычагом исполнительного механизма при помощи тяги поворачивается по часовой стрелке. При повороте РЭ болт перемещается в продольных вырезах первого и второго рычагов РЭ, и тем самым осуществляется возможность регулирования длины плеча от оси вращения РЭ до точки соединения рычагов РЭ с тягой. Длина плеча изменяется в зависимости от положения рычага исполнительного механизма. Механизм сочленения известного регулирующего затвора, состоящий из двух рычагов РЭ, тяги и рычага исполнительного механизма, обеспечивает медленное открытие затвора на малых углах поворота φ, что позволяет эффективно контролировать работу двигателя на малых оборотах и низкой нагрузке. В то же время при переходе двигателя на мощностной режим механизм сочленения увеличивает скорость открытия затвора. Такой режим поворота диска достигается за счет нелинейности (вогнутости) характеристики механизма сочленения. В данном случае конструкция механизма сочленения решает задачу медленного открытия затвора на малых углах поворота φ и дальнейшего увеличение скорости открытия затвора (в отличие от предлагаемых изобретений, где требуется плавное открытие затвора во всем диапазоне мощностей).
Известно регулирующее устройство (Руководящий материал «Системы автоматизации технологических процессов. Расчет электрических исполнительных механизмов при проектировании», РМ 4-173-79, Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный институт «Проектмонтажавтоматика», Раздел 4 «Сочленение электрического исполнительного механизма с регулирующим органом», срок введения руководящего материала 1 декабря 1979 г., стр.18-26, http://opengost.ru/). Известное регулирующее устройство, содержащее РЭ в виде диска, установленный в корпусе, электрический исполнительный механизм и механизм сочленения, состоящий из рычага РЭ, тяги и рычага исполнительного механизма, принято в качестве аналога для третьего и четвертого вариантов изобретения. В указанном руководящем материале рассмотрены примеры построения кинематических схем механизмов сочленений, состоящих из рычага исполнительного механизма и рычага РЭ соединенных тягой, методы их расчета и полученные характеристики механизма сочленения (нелинейные (вогнутые) или линейные). Из приведенных в руководящем материале уравнений и графиков (рис.2а - расходная характеристика РЭ, рис.2б - характеристика механизма сочленения, рис.2в - характеристика регулирующего устройства) следует, что вид расходной характеристики регулирующего устройства зависит от характеристики механизма сочленения. В частности, указывается на то, что нелинейность (вогнутость) характеристики механизма сочленения ведет к линейности характеристики регулирующего устройства. В свою очередь, характеристика механизма сочленения зависит от взаимного расположения элементов механизма сочленения относительно друг друга.
В качестве прототипа для третьего и четвертого изобретений принята дроссельная заслонка (RU 103154 U1, кл. F16K 1/00, опубл. 27.03.2011 г.), содержащая корпус, регулирующий элемент, расположенный в корпусе, вал, рычаг регулирующего элемента, исполнительный механизм и тягу, один конец которой соединен с рычагом исполнительного механизма, а другой конец соединен с рычагом регулирующего элемента.
Недостатком известных регулирующих затворов, приведенных в качестве аналогов для третьего и четвертого изобретений, является отсутствие средств, которые бы позволили изменять положение рычага РЭ относительно РЭ. Это позволило бы располагать элементы сочленения в нужном положении, что обеспечило бы плавную регулировку расхода или давления газа. К тому же возможность регулировать положение РЭ относительно рычага РЭ позволило бы располагать РЭ в нужное исходное положение (φ>0°) для создания кольцевого зазора между корпусом и РЭ.
Задачей изобретений является обеспечение возможности регулирования положения РЭ относительно рычага РЭ в регулирующем дисковом затворе.
Такая возможность позволит устанавливать РЭ в требуемое исходное положение (φ>0°) и образовывать зазор необходимой величины между корпусом и РЭ. Это позволит пропускать через затвор необходимое количество газа для розжига горелки или поддерживать постоянное (p = const) давление газа на выходе из ГРП.
Кроме того, при управлении исполнительным механизмом возможность регулирования положения РЭ относительно рычага РЭ позволит легко расположить элементы механизма сочленения в нужном положении. Что в свою очередь определит характер движения РЭ.
Во всех вариантах конструктивного выполнения затворов возможность регулирования положения РЭ относительно рычага РЭ достигается использованием планшайбы.
Кроме этого, использование планшайбы в первом и втором изобретениях позволяет фиксировать положение РЭ в корпусе.
Механизм сочленения в третьем и четвертом изобретениях обеспечивает плавную регулировку расхода или давления газа.
Технический результат в первом изобретении достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий элемент, расположенный в корпусе, рычаг регулирующего элемента, планшайбу, в которой выполнены сквозные отверстия, расположенные по дуге в четверти планшайбы, две полуоси, на которых жестко закреплен регулирующий элемент, при этом планшайба жестко установлена на полуоси, выходящей за пределы корпуса, рычаг регулирующего элемента расположен на полуоси, выходящей за пределы корпуса, рычаг регулирующего элемента крепится к планшайбе с помощью фиксирующего элемента, расположенного в одном из отверстий планшайбы.
В планшайбе помимо сквозных отверстий, расположенных по дуге в одной из четвертей планшайбы, в другой четверти планшайбы может быть выполнен вырез, расположенный по дуге. В вырезе расположен болт, ввернутый в корпус и предназначенный для фиксации положения регулирующего элемента в корпусе. В рычаге регулирующего элемента может быть выполнено отверстие, предназначенное для соединения с тягой, другой конец которой, в свою очередь, соединен с исполнительным механизмом.
Технический результат во втором изобретении достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий элемент, расположенный в корпусе и жестко закрепленный на валу, рычаг регулирующего элемента, расположенный на валу, планшайбу, в которой выполнены сквозные отверстия, расположенный по дуге в четверти планшайбы, планшайба жестко закреплена на валу, рычаг регулирующего элемента крепится к планшайбе с помощью фиксирующего элемента, расположенного в одном из отверстий планшайбы.
В планшайбе помимо сквозных отверстий, расположенных по дуге в одной из четвертей планшайбы, в другой четверти планшайбы может быть выполнен вырез, расположенный по дуге. В вырезе расположен болт, ввернутый в корпус и предназначенный для фиксации положения регулирующего элемента в корпусе. В рычаге регулирующего элемента может быть выполнено отверстие, предназначенное для соединения с тягой, другой конец которой, в свою очередь, соединен с исполнительным механизмом.
Технический результат в третьем изобретении достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий элемент, расположенный в корпусе и жестко закрепленный на двух полуосях, планшайбу, в которой выполнены сквозные отверстия, расположенные по дуге в четверти планшайбы, рычаг регулирующего элемента, расположенный на полуоси, выходящей за пределы корпуса, электрический исполнительный механизм, закрепленный на корпусе, тягу, один конец которой соединен с рычагом исполнительного механизма, а другой с рычагом регулирующего элемента, при этом планшайба жестко установлена на полуоси, выходящей за пределы корпуса, а рычаг регулирующего элемента крепится к планшайбе с помощью фиксирующего элемента, расположенного в одном из отверстий планшайбы.
Конструкция тяги может иметь такую конструкцию, которая бы позволила изменять ее длину.
Технический результат в четвертом изобретении достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий элемент, расположенный в корпусе и жестко закрепленный на валу, планшайбу, в которой выполнены сквозные отверстия, расположенные по дуге в четверти планшайбы, рычаг регулирующего элемента, расположенный на валу и прикрепленный к планшайбе, жестко закрепленной на валу, с помощью фиксирующего элемента, расположенного в одном из отверстий планшайбы, электрический исполнительный механизм, закрепленный на корпусе, и тягу, один конец которой соединен с рычагом исполнительного механизма, а другой с рычагом регулирующего элемента.
Конструкция тяги может иметь такую конструкцию, которая бы позволила изменять ее длину.
Сущность изобретений поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - затвор дисковый регулирующий по первому варианту (главный вид).
Фиг.2 - затвор дисковый регулирующий по первому варианту (вид сбоку).
Фиг.3 - разрез А-А.
Фиг.4 - затвор дисковый регулирующий по третьему варианту (главный вид).
Фиг.5 - затвор дисковый регулирующий по третьему варианту (вид сбоку).
Фиг.6 - разрез Б-Б.
На чертежах детали затворов дисковых регулирующих обозначены следующими позициями:
1 - корпус; 2 - регулирующий элемент в виде диска (далее РЭ); 3 - полуось; 4 - полуось, часть которой выходит за пределы корпуса; 5 - опора; 6 - уплотнение (кольца); 7 - крышка; 8 - планшайба; 9 - рычаг регулирующего элемента (далее рычаг РЭ); 10 - гайка; 11 - шайба; 12 - фиксирующий элемент; 13 - болт; 14 - шайба; 15 - электрический исполнительный механизм (далее МЭО); 16 - рычаг исполнительного механизма (далее рычаг МЭО); 17 - тяга; 18 - вилка; 19 - ось.
Регулирование давления или расхода происходит за счет изменения сечения газопровода (степени открытия затвора), которое обусловлено положением РЭ затвора.
В корпусе 1 (смотри фиг.2 и фиг.5) затвора расположен РЭ 2 в виде диска, жестко закрепленный на двух полуосях 3 и 4. Затвор является неплотно закрывающимся. Пропуск газа при закрытом положении затвора (φ=0°) составляет не более 1% от максимального расхода. Затвор выполнен в комплекте с фланцами, предназначенными для соединения с трубопроводом. Две полуоси установлены в опорах 5, выполняющих функцию подшипников скольжения. РЭ может поворачиваться в корпусе в пределах 0°≤φ≤90° в зависимости от требуемого давления или расхода газа на выходе затвора. Герметичность затвора обеспечивает сальниковое уплотнение 6, расположенное в отверстии, в котором расположена полуось 4, выходящая за пределы корпуса. Крышка 7 фиксируется винтами.
На полуоси 4, выходящей за пределы корпуса, расположены круглая планшайба 8 и рычаг 9 РЭ. Для фиксированной (жесткой) установки планшайбы 8 на конце полуоси выполнен квадрат (фиг.3 и фиг.6). Планшайба предназначена для установки РЭ в требуемое исходное положение, при котором (φ>0°), и для регулировки положения рычага РЭ относительно РЭ. В планшайбе выполнены сквозные отверстия, расположенные по дуге в одной из четвертей планшайбы.
Рычаг 9 РЭ расположен на полуоси 4, выходящей за пределы корпуса, и закреплен от перемещения по полуоси 4 гайкой 10 и шайбой 11. Рычаг 9 РЭ имеет приваренный фиксирующий элемент 12, при помощи которого он крепится к планшайбе 8 в заданном положении, за счет расположения фиксирующего элемента в одном из отверстий планшайбы.
Для изменения исходного положения РЭ 2 осуществляют следующий порядок действий.
Откручивают гайку 10, отодвигают рычаг 9 РЭ от планшайбы 8 и тем самым извлекают фиксирующий элемент 12 из отверстия планшайбы.
Поворачивают полуось 4 с жестко закрепленными на ней планшайбой 8 и диском 2 на требуемый угол, при этом положение рычага 9 РЭ остается неизменным.
Вновь закрепляют рычаг 9 РЭ на планшайбе 8 фиксирующим элементом 12, расположенным в последующем отверстии планшайбы, и закручивают гайку 10.
В затворе вместо двух полуосей может быть использован вал (на фигурах не показан). В этом случае РЭ 2 жестко закреплен на валу. Для фиксированного (жесткого) закрепления планшайбы 8 на валу выполнен квадрат. Рычаг 9 РЭ, расположенный на валу, крепится к планшайбе 8 с помощью фиксирующего элемента, расположенного в одном из отверстий планшайбы.
Изменение положения РЭ 2 в первом и втором вариантах конструктивного выполнения затвора возможно как вручную, так и с помощью исполнительного механизма.
Для вариантов затворов с ручным управлением в планшайбе наряду с отверстиями, расположенными в одной из четвертей планшайбы, в другой ее четверти выполнен сквозной вырез (фиг.1), расположенный по дуге. В вырезе расположен болт 13 с шайбой 14, ввернутый в корпус. Для этого часть корпуса выполнена в виде цилиндрической стойки, к которой болт 13 прижимает планшайбу. Это позволяет зафиксировать положение РЭ 2 в корпусе 1.
Для вариантов затвора, управляемых электрическим исполнительным механизмом, в рычаге 9 РЭ выполнено отверстие для соединения с тягой, другой конец которой соединен с исполнительным механизмом.
В законченном изделии, где изменение положения РЭ 2 осуществляется МЭО 15, МЭО закреплен на корпусе 1. Для этого часть корпуса выполнена в виде кронштейна, в котором выполнены отверстия для крепления МЭО. Рычаг 16 МЭО и рычаг 9 РЭ соединены между собой тягой 17. Длины рычага 16 МЭО и рычага 9 РЭ равны. Шарнирное соединение тяги 17 с рычагами РЭ и МЭО выполнено при помощи вилок 18 и осей 19. Имеется возможность регулирования длины тяги 17, например, с помощью шпильки с резьбой, являющейся частью вилки 18, и гайки. Для открытия затвора (фиг.4) рычаг 16 МЭО поворачивается по часовой стрелке. Рычаг 9 РЭ, соединенный с рычагом 16 МЭО при помощи тяги 17, поворачивается против часовой стрелки.
Использование планшайбы 8 позволяет установить РЭ 2 в исходное положение, при котором φ>0°. Например, при расположении затвора перед горелкой через образованный между корпусом 1 и РЭ 2 зазор на горелку подается необходимое для розжига горелки количество газа.
В исходном положении рычаг 16 МЭО и тягу 17 располагают почти по одной линии, чтобы угол между ними равнялся 180°. Это делают для того, чтобы уменьшить скорость поворота РЭ относительно скорости поворота рычага МЭО на малых углах φ. Использование планшайбы позволяет расположить рычаг РЭ в нужное положение.