КЛАПАН ОТСЕЧНОЙ (ВАРИАНТЫ) И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД КЛАПАНА ОТСЕЧНОГО

Техническое решение относится к области оборудования транспортирования низконапорных газовых сред, а именно, к области запорной арматуры, и может быть использовано в теплоэнергетических системах на тепловых станциях, в вакуумных системах, в нефтехимическом и газовом оборудовании.
Используемое в дальнейшем при характеристике разработанного технического решения понятие надежность означает (ГОСТ 27.002-89) свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 103158) клапан с электромагнитным приводом. Известный клапан содержит корпус проходного типа, внутри которого расположены седло и затвор с уплотнением в виде резинового кольца, внутри затвора выполнено разгрузочное отверстие, над которым установлен с возможностью закрытия отверстия золотник, над корпусом размещен электромагнит, в верхней части которого между гильзой электромагнита и его якорем расположена пружина, в свободном состоянии прижимающая затвор к седлу, при этом площадь разгрузочного отверстия составляет от 0,001 до 0,8 площади клапана затвора.
Недостатком известного запорного клапана можно признать недостаточную надежность работы вследствие не оптимальности конструкции.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в оптимизации конструкции запорной газовой арматуры.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции клапана с электромагнитным приводом, состоит в повышении надежности работы клапана.
Для достижения указанного технического результата по первому варианту предложено использовать клапан отсечной с электромагнитным приводом, содержащий корпус со штуцером, закрытым крышкой, образующим с корпусом равнопроходный тройник, при этом в штуцер вварен стакан для установки поворотного вала, закрепленную на поворотном валу заслонку, установленную с возможностью прилегания к седлу, закрепленному в корпусе, на которой установлено разгрузочное устройство, на том же поворотном валу установлен рычаг управления, на крышке штуцера или на корпусе закреплен электромагнит, установленный с возможностью удерживания заслонки в открытом положении через рычаг управления и расцепляющий механизм срабатывания клапана, причем, согласно разработанному техническому решению, расцепляющий механизм представляет собой защелку, выполненную с возможностью удерживания клапана в открытом положении и обеспечивающую срабатывание клапана при подаче сигнала, при этом отношение площади отверстия в заслонке к площади заслонки составляет величину от 0,0006 до 0,01.
Отличие разработанного технического решения от использованного в качестве ближайшего аналога состоит в том, что расцепляющий механизм представляет собой защелку, выполненную с возможностью удерживания клапана в открытом положении и обеспечивающую срабатывание клапана при подаче сигнала, при этом отношение отверстия в заслонке к площади заслонки составляет величину от 0,0006 до 0,01.
Экспериментально было установлено, что максимальное значение надежности (работа клапана без отказов в течение, по меньшей мере, года в условиях промышленной эксплуатации) достигается именно при использовании указанных отличительных признаков. При использовании соотношения площадей отверстия и заслонки менее 0,0006 и свыше 0,01 отказы в работе клапана происходили по истечению 6 месяцев.
В предпочтительном варианте реализации клапан дополнительно содержит на корпусе исполнительный электрический механизм, выполненный с возможностью автоматического открытия заслонки. Также клапан может дополнительно содержать блок концевых выключателей, обеспечивающих контроль положения заслонки. Для облегчения снятия крышки штуцера клапан может дополнительно содержать рым-болт. Предпочтительно разгрузочное устройство представляет собой отверстие в заслонке, закрытое тарелкой, которое предварительно автоматически открывается перед открытием заслонки.
Для достижения указанного технического результата по второму варианту предложено использовать клапан отсечной с электромагнитным приводом, содержащий корпус проходного типа, внутри которого расположены седло и затвор с уплотнением в виде резинового кольца, внутри затвора выполнено разгрузочное отверстие, над которым установлен с возможностью закрытия отверстия золотник, над корпусом размещен электромагнит, в верхней части которого между гильзой электромагнита и его якорем расположена пружина, в свободном состоянии прижимающая затвор к седлу, при этом площадь разгрузочного отверстия составляет от 0,001 до 0,8 площади клапана затвора, при этом электромагнит встроен в клапан, а катушка электромагнита установлена с возможностью вращения вокруг своей оси с возможностью демонтажа/монтажа без разборки клапана.
Отличие разработанного клапана от устройства, использованного в качестве ближайшего аналога, состоит в том, что тем, что электромагнит встроен в клапан, при этом катушка электромагнита установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, а также с возможностью демонтажа/монтажа без разборки клапана, при этом площадь разгрузочного отверстия составляет от 0,001 до 0,8 площади клапана затвора.
Экспериментально было установлено, что максимальное значение надежности (работа клапана без отказов в течение, по меньшей мере, года в условиях промышленной эксплуатации) достигается именно при использовании указанных отличительных признаков. При использовании соотношения площадей отверстия и заслонки менее 0,001 и свыше 0,08 отказы в работе клапана происходили по истечению 6 месяцев.
В некоторых вариантах реализации в корпусе может быть дополнительно установлен датчик положения затвора. Указанный датчик предпочтительно состоит из штока, связанного с затвором, уплотнительного кольца и микропереключателя, причем при закрытом положении клапана шток расположен в крайнем нижнем положении с возможностью воздействия на микропереключатель, обеспечивающий сигнализацию об открытом положении клапана.
Для достижения указанного технического результата по третьему варианту предложено использовать клапан отсечной с электромагнитным приводом, содержащий корпус, внутри которого размещены седло, затвор, состоящий из клапана затвора, мембраны и диска, причем в клапане затвора выполнено разгрузочное отверстие, мембрана размещена между фланцем корпуса и его крышкой и имеет перепускное отверстие, под крышкой клапана установлен золотник с возможностью перекрывания отверстия клапана затвора, жестко соединенный с якорем электромагнита и посредством первой пружины с клапаном затвора, при этом вторая пружина размещена между якорем электромагнита и неподвижным стаканом, жестко соединенным с крышкой, внутри которого якорь установлен с возможностью перемещения, причем соотношение усилий, развиваемых первой и второй пружинами при расчетной величине сжатия, составляет от 0,1 до 1,0, катушка электромагнита установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, а также с возможностью монтажа/демонтажа без разборки клапана, при этом мембрана выполнена из армированного листового уплотнительного материала с возможностью прогиба при открытом состоянии клапана на величину не менее 25 мм без разрыва.
Отличие разработанного клапана от устройства, использованного в качестве ближайшего аналога, состоит в том, что тем, что катушка электромагнита установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, а также с возможностью монтажа/демонтажа без разборки клапана, при этом мембрана выполнена из армированного листового уплотнительного материала с возможностью прогиба при открытом состоянии клапана на величину не менее 25 мм без разрыва.
Экспериментально было установлено, что максимальное значение надежности (работа клапана без отказов в течение, по меньшей мере, года в условиях промышленной эксплуатации) достигается именно при использовании указанных отличительных признаков в совокупности с соотношение усилий, развиваемых первой и второй пружинами при расчетной величине сжатия, составляет от 0,1 до 1,0. При использовании соотношения усилий менее 0,1 и свыше 1,0, а также использовании армированного листового уплотнительного материала с возможностью прогиба при открытом состоянии клапана на величину менее 25 мм без разрыва отказы в работе клапана происходили по истечению 5 месяцев.
В предпочтительном варианте реализации площадь разгрузочного отверстия составляет от 0,001 до 0,1 площади клапана затвора.
Для достижения указанного технического результата по четвертому варианту предложено использовать клапан отсечной с электромагнитным приводом, содержащий корпус проходного типа, закрытый стаканом, внутри корпуса размещены седло и затвор, в затворе выполнено разгрузочное отверстие, над которым размещен с возможностью перекрывания этого отверстия золотник, между корпусом и затвором установлена первая пружина, между затвором и золотником установлена вторая пружина, над золотником установлен встроенный электромагнит толкающего типа, якорь которого касается верхнего конца золотника, внутри золотника установлена третья пружина для компенсации зазоров при срабатывании электромагнита, в нижней части корпуса расположен датчик положения затвора клапана, катушка электромагнита установлена с возможностью вращения вокруг своей оси, а также с возможностью монтажа/демонтажа без разборки клапана, при этом он содержит подпружиненный тарельчатый запорный узел, пружина которого при отключенном электромагните способна удерживать клапан в открытом состоянии.
В предпочтительном варианте реализации соотношение усилий, развиваемых первой и второй пружинами при расчетной величине сжатия, составляет от 0,01 до 1,0, соотношение усилий, развиваемых первой и третьей пружинами при расчетной величине сжатия, составляет от 1 до 100, а площадь разгрузочного отверстия составляет от 0,001 до 0,8 площади клапана затвора.
При использовании соотношение усилий, развиваемых первой и второй пружинами при расчетной величине сжатия, составляет менее 0,01 и свыше 1,0, и/или соотношение усилий, развиваемых первой и третьей пружинами при расчетной величине сжатия, составляет от менее 1 и свыше 100, и/или площади разгрузочного отверстия менее 0,001 или свыше 0,8 площади клапана затвора отказы в работе клапана происходили по истечению 4 месяцев.
Для функционирования клапана отсечного во всех вариантах может быть применен разработанный электромеханический привод клапана, содержащий рычаг, на одном конце которого установлены электромагнит и электромагнитное реле времени, рычаг в средней части выполнен с возможностью соединения со штоком клапана, также в средней части рычага установлена ось, посредством которой рычаг закреплен с возможностью вращения на опоре, размещенной на основании привода, на основании дополнительно смонтированы магнитный пускатель, выполненный с возможностью приема управляющего сигнала и установленный с возможностью включения электромагнита и электромагнитного реле времени, и средства подключения привода к сети электрического тока, причем рычаг в средней части выполнен с возможностью соединения со штоком клапана посредством регулируемой тяги, при этом он содержит электромагнитное реле времени с периодом задержки срабатывания до 1 секунды при рабочем периоде 0,6-0,8 сек и с предельным значением рабочей величины 2 сек.
Разработанная конструкция привода отличается от конструкции, использованной в качестве ближайшего аналога тем, что он содержит электромагнитное реле времени с периодом задержки срабатывания до 1 секунды при рабочем периоде 0,6-0,8 сек и с предельным значением рабочей величины 2 сек.
При использовании электромагнитное реле времени с периодом задержки срабатывания свыше 1 секунды при рабочем периоде 0,6-0,8 сек и с предельным значением рабочей величины свыше 2 сек надежность работы привода не превышает надежности работы устройства ближайшего аналога.
Привод может дополнительно содержать блок концевых выключателей, представляющий собой рамку, закрепленную на конце рычага, при этом на рамке установлены кнопочные выключатели, внутри рамки на вращающейся оси расположены кулачки по одному на выключатель, установленные с возможностью воздействия на кнопки выключателей, причем блок концевых выключателей выполнен с возможностью поворота в зависимости от положения рычага. Также привод может дополнительно содержать фиксатор, установленный на рычаге шарнирно с использованием серег, вилки, штока и коромысла, причем фиксатор соединен с электромагнитом и электромагнитным реле времени с возможностью поворота на угол 90° при рабочем ходе электромагнита и электромагнитного реле времени и выполнения возвратного движения под действием пружины, расположенной на штоке, соединяющем электромагнит с фиксатором, при этом шток размещен в направляющей, приваренной к рычагу, на котором закреплены электромагнит и электромагнитное реле времени.
На фиг.1-3 приведена конструкция клапана по первому варианту, на фиг.4 - по второму варианту, на фиг.5 - по третьему варианту, на фиг.6 - по четвертому варианту, на фиг.7-8 - приведена конструкция электромеханического привода.
Все клапаны предназначены для работы в качестве запорной арматуры с дистанционным управлением на линии подачи газа. Электромеханический привод применим к любому из указанных клапанов.
Клапан по первому варианту (фиг.1-3) содержит корпус 1, стакан 2, вал 3 поворотный, заслонку 4 поворотную, прокладку 5, заглушку 6, рычаг 7, коромысло 8, стопор 9, защелка 10, исполнительный механизм (МЭО) 11, блок 12 концевых выключателей, тягу 13, электромагнит 14 постоянного тока, винт 15 упорный, демпфер 16, рым-болт 17, серьгу 18 транспортировочную монтажную.
Устройство клапана по варианту 1 показано на фиг.1-3, из которых видно, что клапан состоит из корпуса 1, представляющего сварную конструкцию в виде равнопроходного несимметричного тройника с приваренными к нему фланцами. В штуцере корпуса вварен стакан 2, который позволяет при помощи поворотного вала 3 закрепить поворотную заслонку 4. За счет вращения на поворотном валу заслонка может прижиматься к седлу, которое вварено в корпус. На заслонке имеется разгрузочное устройство. За счет резиновой прокладки 5 заслонка, прижимаясь к седлу, может закрывать клапан. Причем за счет рабочего давления среды обеспечивается необходимое усилие плотнозапорности. При помощи заглушки 6 штуцер корпуса герметично закрыт. Для снятия заглушки предусмотрен рым-болт 17. На выходном конце поворотного вала установлен рычаг 7, при помощи которого заслонка может поворачиваться. На заглушке 6 установлен электромагнит постоянного тока 14, который при помощи рычага 7, коромысла 8, стопора 9 и защелки 10 может удерживать заслонку в открытом положении. При помощи блока концевых выключателей 12 и тяги 13 обеспечивается контроль закрытого и открытого положения заслонки. Открытие клапана может производиться вручную или дистанционно. Дистанционное открытие производится при помощи исполнительного электрического механизма (МЭО) 11, установленного на корпусе клапана.
Открытие клапана дистанционно происходит следующим образом: подают напряжение на электродвигатель МЭО, при этом включается внешнее реле KL1 и пускатель K, установленный в приводе клапана. Контакты реле и пускателя включают цепи самоудержания; МЭО поворачивается, происходит фиксация рычага 7 при помощи стопора 9 и защелки 10. После чего рычаг МЭО продолжает свое вращение до момента, когда контакт концевого выключателя снимает напряжение с электродвигателя МЭО. Механизм открытия клапана останавливается в исходном положении для следующего открытия клапана, заслонка клапана остается в открытом положении.
Для закрытия клапана необходимо подать напряжение постоянного тока на электромагнит 14 с освобождением защелки 10.
Подключение клапана к системе автоматики производится при помощи соединительной коробки, установленной на корпусе клапана.
Конструкция клапана по второму варианту приведена на фиг.4, при этом использованы следующие обозначения: корпус 19, затвор 20, золотник 21, пружина 22, электромагнит 23, микровыключатель 24, шток 25, уплотнительное кольцо 26, гильза 27 электромагнита, якорь 28.
Клапан по второму варианту состоит из корпуса 19 проходного типа, внутри которого имеется седло (не показано). Для перекрывания потока рабочей среды в корпусе 19 располагается затвор 20 с уплотнением в виде резинового кольца (не показано). Внутри затвора 20 предусмотрено разгрузочное отверстие (не показано), которое закрывается золотником 21 для уменьшения необходимого усилия открытия клапана. Усилие плотнозапорности клапана обеспечивается за счет пружины 22, которая установлена внутри электромагнита 23 таким образом, что один ее конец упирается в гильзу электромагнита 27, а другой - в якорь 28. Для контроля состояния клапана предусмотрен датчик положения затвора, состоящий из штока 25, связанного с затвором 20, уплотнительного кольца 26 и микропереключателя 24. При закрытом положении клапана, когда шток 25 находится в крайнем нижнем положении, срабатывает микропереключатель 24, обеспечивающий сигнализацию о закрытом состоянии клапана.
Открытие клапана происходит в следующем порядке. При подаче напряжения якорь 28 электромагнита 23 перемещается вверх, сжимая пружину 22. Одновременно с этим жестко связанный с якорем золотник 21 открывает разгрузочное отверстие затвора 20 и, после уменьшения перепада давления на седле, открывает клапан, поднимая вверх затвор 20. Вместе с затвором 20 движется вверх шток 25, при этом микропереключатель 24 возвращается в исходное положение, соответствующее открытому состоянию клапана.
Закрытие клапана происходит после снятия напряжения с электромагнита 23. За счет усилия пружины 22 разгрузочное отверстие и седло клапана перекрываются, обеспечивая герметичность затвора.
Конструкция клапана по третьему варианту приведена на фиг.5, при этом использованы следующие обозначения: корпус 29, клапан затвора 30, мембрана 31, диск 32, направляющий шток 33, крышка 34, золотник 35, пружины 36 и 37; электромагнит 38, якорь 39, седло 40.
В базовом варианте реализации клапан с электромеханическим приводом состоит из корпуса 29 проходного типа, внутри которого установлено седло 40. Для перекрывания потока рабочей среды в корпусе 29 установлен затвор, состоящий из клапана затвора 30, мембраны 31, диска 32 и направляющего штока 33. В центре клапана затвора 30 выполнено разгрузочное отверстие. Мембрана 31 зажата между фланцем корпуса 29 и крышкой 34 и имеет перепускное отверстие. Отверстие клапана затвора 30 выполнено с возможностью перекрывания золотником 35, жестко связанным с якорем 39 электромагнита 38. Золотник 35 в свою очередь связан с клапаном затвора 30 посредством пружины 36.
В обесточенном состоянии клапан всегда закрыт. При нулевом давлении рабочей среды и близком к нулю закрытие клапана обеспечивается усилием пружины 37. При рабочем давлении закрытию клапана также способствует сила давления среды, действующая на диск 32 и прижимающая его к седлу. Эта сила возникает вследствие разности площадей мембраны, находящихся под давлением в надмембранной и подмембранной полостях.
Открытие клапана происходит в следующем порядке. При подаче напряжения якорь электромагнита 38 поднимается вверх, увлекая за собой золотник 35, который открывает разгрузочное отверстие клапана затвора 30, площадь которого в несколько раз больше площади перепускного отверстия мембраны 31. За счет разности площадей перепускного и разгрузочного отверстий давление рабочей среды в надмембранной камере падает, так как открытое разгрузочное отверстие соединяет выходную полость клапана с входной, и за счет давления рабочей среды в подмембранной камере затвор поднимается вверх, сжимая пружину 37, и клапан открывается. При нулевом давлении клапан открывается за счет связи клапана затвора 30 с золотником 35 через пружину 36.
При снятии напряжения с электромагнита 38 золотник 35 за счет усилия пружины 37 перекрывает разгрузочное отверстие клапана затвора 30 и рабочая среда через перепускное отверстие мембраны 31 заполняет надмембранное пространство. Давление под и над мембраной выравнивается, и под действием пружины 37 клапан закрывается.
Конструкция клапана по четвертому варианту приведена на фиг.6, при этом использованы следующие обозначения: корпус 41, затвор 42, золотник 43, микропереключатель 44, электромагнит 45, пружина 46, 47, 48, шток 49, стакан 50, кольцо уплотнительное 51, крышка 52.
Клапан состоит из корпуса 41 проходного типа, закрытого стаканом 50, внутри корпуса расположено седло. Для перекрывания потока рабочей среды в корпусе 41 установлен затвор 42 с возможностью перемещения под действием пружины 48, расположенной между ним и корпусом. Внутри затвора 42 предусмотрено разгрузочное отверстие (не показано). Разгрузочное отверстие перекрывается резиновой прокладкой золотника 43. Другой конец золотника 43 поджимается якорем электромагнита 45 толкающего исполнения. Между золотником 43 и затвором 42 установлена пружина 47, которая в сочетании с пружиной 48 обеспечивает открытое состояние клапана. Внутри золотника 43 установлена пружина 46 для компенсации зазоров при срабатывании электромагнита 45.
Для контроля состояния клапана предусмотрен датчик положения затвора, состоящий из штока 49, связанного с затвором 42, уплотнительного кольца 51 и микропереключателя 44. При закрытом положении клапана, когда шток 49 находится в крайнем нижнем положении, срабатывает микропереключатель 44, обеспечивающий сигнализацию о закрытом состоянии клапана. Место установки микропереключателя закрыто крышкой 52.
В обесточенном состоянии клапан под действием пружин 47 и 48 открыт. При подаче напряжения якорь электромагнита 45 толкает золотник 43, который перекрывает разгрузочное отверстие затвора 42 и прижимает затвор 42 к седлу корпуса 41. Клапан закрывается.
При снятии напряжения с электромагнита 45 за счет усилия пружины 47 золотник 43 поднимается вверх, открывая разгрузочное отверстие затвора 43. Давление рабочей среды над затвором 42 падает и за счет усилия пружины 48 клапан открывается.
Конструкция электромеханического привода приведена на фиг.7, а также на фиг.8, где приведен разрез привода по оси А-А, при этом использованы следующие обозначения: основание 53, рычаг 54, электромагнит 55, электромагнитное реле 56 времени, блок 57 концевых выключателей, фиксатор 58, ось 59, серьга 60, вилка 61, шток 62, коромысло 63, пружина 64, дополнительный рычаг 65, рычаг 66, защелка 67, дополнительный фиксатор 68, регулируемая тяга 69, кожух 70, рычаг 71, исполнительный механизм 72.
Привод смонтирован на основании 53 и состоит из рычага 54, на котором установлен на одном конце электромагнит 55, электромагнитное реле времени 56 и блок концевых выключателей 57, на другом конце - фиксатор 58. В средней части рычага приварена ось 59, посредством которой он установлен на опоре с возможностью вращения. Фиксатор 58, установленный на рычаге 54 шарнирно посредством серьги 60, вилки 61, штока 62, коромысла 63 соединен с электромагнитом 55 и электромагнитным реле времени 56 таким образом, что имеет возможность поворачиваться на угол 90° при рабочем ходе электромагнита 55 и электромагнитного реле времени 54. Обратный ход фиксатора обеспечивается пружиной 64. На опоре посредством оси 59 рычага установлен дополнительный рычаг 65, который является связующим звеном между рычагом 54 и рычагом 66 исполнительного механизма 72 типа МЭО, в состав которого входят электродвигатель, редуктор, дополнительный блок концевых выключателей. На конце рычага выполнена ручная защелка 67 с дополнительным фиксатором 68. Для передачи усилия рычаг в средней части соединен регулируемой тягой 69 со штоком клапана. Для управления электрооборудованием привода на основании смонтированы: магнитный пускатель 73, вилка с розеткой (не показаны) и электрические проводки. Привод сверху закрывается кожухом 70, который крепится к основанию 53 винтами.
Блок концевых выключателей 57 посредством рычага 71 имеет возможность поворота в зависимости от положения рычага.
Электромеханический отсечной клапан разработанной конструкции работает следующим образом: при подаче напряжения 220 В на клапан рычаг МЭО 66 устанавливается в исходное положение, при котором клапан закрыт. При этом фиксатор промежуточного рычага 65 должен находиться в гнезде фиксатора; после подачи управляющего сигнала 220 В включается электромагнит 55 и электромагнитное реле времени 56. Фиксатор 58 поворачивается на угол 90°, тем самым, соединяя рычаги 54 и 65 между собой. Рычаг МЭО 66 начинает подниматься, увлекая за собой рычаг 54, и клапан открывается, при этом пружина 64 клапана сжимается; для уменьшения усилия в момент открытия клапана предусмотрен сброс рабочей среды из верхней полости клапана в нижнюю за счет открытия в первый момент отверстия в тарелке клапана (не показано), которое было закрыто штоком (не показано) до начала его подъема; открытие клапана происходит до тех пор, пока ход штока не составит величины равной 0,25 условного диаметра клапана; при открытии клапана на 75% снимается напряжение с электромагнита 55 и клапан остается в открытом положении за счет удержания электромагнитным реле времени 56 фиксатора 58 в повернутом положении; для закрытия клапана снимается управляющий сигнал, электромагнитное реле времени обесточивается и под действием пружины 64 фиксатор 58 поворачивается в обратную сторону, а клапан вследствие действия пружины клапана (не показано) закрывается; для закрытия клапана в любой момент времени вручную необходимо потянуть ручку ручной защелки 67 с фиксатором 68, которая освободит рычаг 54, и клапан закроется.
Электрическое питание поступает в клапан во всех вариантах через клеммный ряд, расположенный на корпусе и дополнительно содержащий диодный выпрямительный мост.
Использование клапанов разработанной конструкции позволяет повысить их надежность, а также облегчить их техническое обслуживание.