КЛАПАН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ С ДВОЙНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ

Полезная модель относится к общему машиностроению, в частности к клапанам предохранительным, нагруженным пружиной, с приспособлениями для регулирования давления открытия.
н
н
н
cp
н
cp
k
cp
k
Известен клапан предохранительный, содержащий: фланец (корпус), с центральной направляющей втулкой, через которую проходит шток, вокруг которого выполнено несколько проходных отверстий, переходящих в одно проходное отверстие с седлом в верхней части, имеющим коническую и тороидальную уплотнительные поверхности; шток с коническим золотником, прижимаемым к седлу пружиной; закрепленную на штоке отражающую втулку с увеличенной по высоте цилиндрической поверхностью, параллельной наружной цилиндрической поверхности седла диаметра D, а отражающая коническая поверхность втулки максимально приближена к отражающей конической поверхности седла с возможностью демпфирования движения запорного органа при закрытии клапана, при этом в клапане конические уплотняющие поверхности седла и золотника уменьшены на 25-30% и, соответственно, уменьшен наружный диаметр седла D, во внутренней проточке отражающей втулки расположено упругое круглое кольцо, поджатое к втулке верхней конической поверхностью золотника, выполненной под углом 20…10°, наружный диаметр седла D выбран из условия D≥D≥(D-0,3·d), где D - средний диаметр упругого кольца в проточке; d - диаметр сечения кольца; пружин установлено одна или более; к фланцу клапана со стороны подачи среды прикреплена цилиндрическая труба с закрепленным на ее конце между двумя фланцами, мембранным узлом, состоящим из металлической мембраны и двух прокладок из более мягкого материала (Свидетельство Российской Федерации на полезную модель №34682, 2003 г., по кл. МПК F16K 17/04).
3
3
Однако клапан этой конструкции имеет ряд недостатков: пять проходных отверстий фланца имеют площадь сечения равную площади проходного отверстия, что приводит к уменьшению пропускной способности клапана; переход от этих отверстий к одному общему не имеет плавности, что приводит к увеличению местного гидравлического сопротивления и соответственно также к уменьшению пропускной способности клапана; коническая и тороидальная уплотнительные поверхности, расположенные в верхней части фланца находятся в области с высокими скоростями потока, что приводит к их износу и сокращает срок службы изделия; пружины подобранны из условия прочности по касательным напряжениям [τ]=0,75·τ, что приводит к уменьшению допустимого рабочего хода пружины, соответственно уменьшению диапазона силовой характеристики пружины и как следствие диапазона рабочего давления клапана, что не обоснованно по причине малого количества циклов срабатывания за срок жизни клапана.
Задачей полезной модели является увеличение пропускной способности клапана, повышение надежности работы клапана при эксплуатации, увеличение срока службы клапана, увеличение диапазона рабочего давления клапана.
Поставленная задача решается:
- креплением центрирующей втулки к фланцу с помощью четырех ребер, что позволяет сделать площадь отверстий для прохождения потока среды в 1,5 раза больше чем площадь проходного отверстия фланца, что в свою очередь увеличивает пропускную способность клапана; выполнением поверхности центрирующей втулки, направляющей поток среды, в виде сложной поверхности, состоящей из двух тороидальных поверхностей плавно сопряженных между собой, и выполнением поверхности фланца, направляющей поток среды, также в виде сложной поверхности, состоящей из сферической и тороидальной поверхностей плавно сопряженных между собой, что обеспечивает снижение местного гидравлического сопротивления и соответственно увеличивает пропускную способность клапана;
- применением запорного органа с двумя последовательно расположенными уплотнениями - силового уплотнения «металл-металл» воспринимающего большую часть усилия пружин и герметизирующего «металл-неметалл» обеспечивающего надежное уплотнение, что обеспечивает повышение надежности работы клапана при эксплуатации, также этому способствует применение конической уплотнительной поверхности основного уплотнительного элемента, переходящей в тороидальную, что гарантирует нахождение материала основного уплотнительного элемента в зоне упругости и не приводит к необратимым деформациям уплотнительной поверхности за счет наличия свободного пространства над тороидальной поверхностью для упругого прогиба основного уплотнительного элемента;
- созданием конического центрального отверстия в основном уплотнительном элементе, что обеспечивает его надежную центровку относительно штока и точное определение диаметра уплотнения, что способствует стабилизации давления начала открытия и повышает надежность работы в процессе эксплуатации клапана;
созданием перед конической уплотнительной поверхностью фланца тороидальной поверхности, направляющей поток среды, что позволяет создать область вблизи конической уплотнительной поверхности фланца со скоростью движения среды более низкой по отношению к общей и максимальной скорости потока среды, что в свою очередь снижает износ уплотнительных поверхностей клапана, и увеличивает срок службы изделия, также этому способствует создание области вблизи конической уплотнительной поверхности штока со скоростью движения среды более низкой по отношению к общей и максимальной скорости потока среды за счет применения на штоке тороидальной поверхности перед конической уплотнительной поверхностью штока и основного уплотнительного элемента;
3
3
- применением пружин с минимально возможным количеством витков из условия прочности по касательным напряжениям [τ]=0,9·τ, что приводит к увеличению допустимого рабочего хода пружин, соответственно увеличению диапазона силовых характеристик пружин и как следствие увеличение диапазона рабочего давления клапана.
Клапан предохранительный с двойным уплотнением представлен на фиг. 1, 2, где:
1 - гайка стопорная, 2 - гайка настройки, 3 - втулка опорная, 4 - пружина, 5 - пружина, 6 - шток, 7 - втулка опорная, 8 - фланец, 9 - ребро, 10 - центрирующая втулка, 11 - тарелка отражающая, 12 - гайка, 13 - основной уплотнительный элемент, 14 - сферическая поверхность фланца, 15 - тороидальная поверхность фланца, 16 - тороидальная поверхность втулки, 17 - тороидальная поверхность втулки, 18 - коническая уплотнительная поверхность фланца, 19 - коническая уплотнительная поверхность основного уплотнительного элемента, 20 - коническая уплотнительная поверхность штока, 21 - тороидальная поверхность штока.
Общая конструкция клапана предохранительного с двойным уплотнением состоит из фланца 8 соединенного четырьмя ребрами 9 с центрирующей втулкой 10, образуя отверстия для прохождения потока среды, которые плавно переходят в проходное отверстие фланца 8. Шток 6 установлен в центрирующей втулке 10. Коническая уплотнительная поверхность 20 штока 6 прижимается к конической уплотнительной поверхности 18 фланца 8 пружинами 4 и 5 через опорные втулки 3 и 7. Гайка настройки 2 обеспечивает необходимое сжатие пружин 4 и 5, гайка стопорная 1 ее фиксацию в этом положении. На цилиндрическую проточку штока 6 установлен основной уплотнительный элемент 13 центральным коническим отверстием, обеспечивая его надежную центровку относительно конической уплотнительной поверхности 18 штока 6, и поджато тарелкой отражающей 11 при помощи гайки 12.
Конструкция работает следующим образом. Рабочая среда, проходя через отверстия образованные фланцем 8, ребрами 9 и центрирующей втулкой 10, направляется к проходному отверстию фланца 8 сложной поверхностью центрирующей втулки 10, состоящей из двух тороидальных поверхностей 16 и 17, плавно сопряженных между собой, и сложной поверхностью фланца 8, состоящей из сферической и тороидальной поверхностей 14 и 15, плавно сопряженных между собой. Она воздействует рабочим давлением на шток 6 и когда величина давления рабочей среды достигает давления начала открытия клапана, начинается подъем штока 6 с тарелкой отражающей 11. При дальнейшем повышении давления рабочей среды, подъемная сила становится больше усилия пружин 4 и 5 и происходит открытие клапана.
При открытом положении клапана происходит выброс рабочей среды. На фиг.3 показано распределение скоростей потока рабочей среды в клапане при его открытом положении, соответственно, где линии, показывающие поток, находятся плотней друг к другу там скорость выше и наоборот. Как видно из фиг.3, уплотнительные поверхности 18, 20 и 19 фланца 8, штока 6 и основного уплотнительного элемента 13 соответственно, расположены в областях со скоростью движения среды более низкой по отношению к общей и максимальной скорости потока среды. Этому способствует создание на фланце 8 перед конической уплотнительной поверхностью 18 тороидальной поверхности 15, направляющей поток среды, и создание на штоке 6 перед конической уплотнительной поверхностью 20 тороидальной поверхности 21. Выброс среды снижает давление в емкости, соответственно подъемная сила от действия среды становится меньше усилия пружин 4 и 5 и происходит закрытие клапана, при этом уплотнительная поверхность 20 штока 6 опирается на коническую уплотнительную поверхность 18 фланца 8, обеспечивая силовое уплотнение «металл-металл», воспринимающее основное усилие пружин 4 и 5 и тем самым не позволяет деформировать коническую уплотнительную поверхность 19 основного уплотнительного элемента 13, в свою очередь основной уплотнительный элемент 13 конической уплотнительной поверхностью 19, опираясь на коническую уплотнительную поверхность 18 фланца 8, создает второе уплотнение «металл-неметалл», обеспечивающее надежную герметизацию.