СЕГМЕНТНЫЙ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к трубопроводной арматуре, а именно к запорно-регулирующим клапанам для управления рабочей средой трубопроводов, транспортирующих жидкие и газообразные среды, с целью выведения регулируемого технологического процесса на желаемый уровень, перемещения или доставки рабочей среды от источника в пункт назначения, а также для решения других подобных задач.
Уровень техники данной области характеризуют разнообразные конструкции трубопроводной арматуры общепромышленного и специального исполнения (см. Д.Ф. Гуревич. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М.: Машиностроение, 1964; В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 томах. - М.: Машиностроение, 1980; Д.Ф. Гуревич. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1987; П.И. Орлов. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в двух книгах. Под ред. к.т.н. П.Н. Учаева. - М.: Машиностроение, 1988; Промышленная трубопроводная арматура. Каталог. - М.: «ЦИНТИхимнефтемаши, 1992 (с последующими изменениями и дополнениями), часть I-IV).
Из выше приведенной и другой известной технической литературы и каталожных материалов предприятий, производящих и реализующих трубопроводную арматуру, следует вывод, что в конце XX века взамен вентилей, затворов и задвижек устаревших конструкций стали широко использоваться шаровые краны (ГОСТ 24856-2014 Арматура трубопроводная. Термины и определения, п. 5.5.3; СТ ЦКБА 123-2019 Арматура трубопроводная. Термины и определения (с иллюстрациями), п. 5.5.3). Это обеспечило резкое повышение надежности и безопасности эксплуатации как самой арматуры, так и систем, в которых она устанавливалась, прежде всего, за счет обеспечения необходимых требований по герметичности и увеличению срока службы, по сравнению с применявшимися ранее аналогами. Однако, массовое применение кранов шаровых приводило в ряде случаев и к отрицательным явлениям: гидро- и пневмоударам при их резком открытии, невозможности открыть или закрыть краны, эксплуатировавшиеся долгое время в закрытом или открытом состоянии при наличии в рабочей среде механических или агрессивных примесей и т.д. Это заставило специалистов в определенной степени пересмотреть свое отношение к кранам шаровым и искать альтернативные решения.
Решение вышеперечисленных проблем разработчики находят в запорно-регулирующих клапанах (ГОСТ 24856-2014 Арматура трубопроводная. Термины и определения, п. 5.5.2; СТ ЦКБА 123-2019 Арматура трубопроводная. Термины и определения (с иллюстрациями), п. 5.5.2).
Из уровня техники известны варианты исполнения герметично закрывающихся дроссельных (запорных) клапанов: центрированные, элементарные эксцентриковые, двухэксцентриковые, трехэксцентриковые, четырехэксцентриковые и пятиэксцентриковые, конструкция которых не только не уступает кранам шаровым по герметичности и надежности, а имеет в тоже время существенно меньшие габариты и массу, и превосходит краны шаровые по простоте конструкции и быстроте срабатывания (патент Российской Федерации на изобретение №2699453, по кл. МПК F16K 1/22, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 15.08.2018 г., дата публикации 05.09.2019 г., конвенционный приоритет 07.05.2018 ЕР ЕР 18000434).
Известен односедельный сегментный поворотный клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, коническое седло и запорный элемент, выполненный в виде сегмента сферы (Б.Ф. Братин. Трубопроводная арматура для абразивных жидкостей. - М.: Машиностроение, 1981 г., рис. 22 и 25).
Недостатками такого клапана является постоянный контакт между уплотнительными поверхностями седла и запорного элемента в процессе их взаимного перемещения, что влечет за собой их сильный износ абразивными частицами, содержащимися в потоке, а также повышенные усилия на приводе при регулировании расхода рабочей среды. Указанные недостатки затрудняют использование этих клапанов на магистральных трубопроводах при наличии в потоке абразивных включений.
Указанная техническая проблема решается в сегментном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, расположенными на одной оси, седло клапана с уплотнительной конической поверхностью, расположенное у входного отверстия, запорный элемент - сегментный плунжер, выполненный с уплотнительной поверхностью конической формы с прикрепленными к нему двумя рычагами, на концах которых жестко закреплены шипы, отличающемся тем, что шипы помещены с возможностью вращения в отверстия эксцентриковых втулок, геометрические оси которых смещены относительно геометрических осей эксцентриковых втулок, а эти втулки помещены с возможностью вращения в гнезда, расположенные на боковых стенках корпуса, к торцам эксцентриковых втулок с внешней стороны корпуса жестко присоединены концы П-образного запирающего рычага (патент Российской Федерации на полезную модель №154899, по кл. МПК F16K 1/20, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 08.12.2014 г., дата публикации 10.09.2015 г.).
Известен клапан-отсекатель, содержащий корпус, входной и выходной штуцеры, механизм настройки, состоящий из подпружиненных горизонтального поршня и вертикального штока, взаимодействующих друг с другом плоскими, перпендикулярно расположенными упорами; механизм взвода; седло и затвор, соединенный тягой с вертикальным подпружиненным штоком, отличающийся тем, что корпус снабжен подпружиненным плунжером, расположенным перпендикулярно его оси, магнитом - на одном из его концов, магнитным датчиком, например нормально-разомкнутым герконом, светодиодом и источником питания, причем подпружиненный плунжер выполнен так, что одним концом он взаимодействует с затвором, при открытом клапане-отсекателе, а другим концом, на котором расположен магнит - с магнитным датчиком при закрытом клапане-отсекателе, причем магнитный датчик соединен последовательно со светодиодом и источником питания (патент Российской Федерации на изобретение №2558078, по кл. МПК F21B 34/02, F16K 15/03, F16K 37/00 дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 11.04.2014 г., дата публикации 27.07.2015 г.).
Недостатком данного устройства является низкая надежность и безопасность, ввиду применения затвора на оси.
Указанная техническая проблема решается тем, что клапан-отсекатель с поворотным сегментным затвором содержит корпус с входным и выходным каналами, седло, установленное в корпусе, затвор, контактирующий с седлом и перекрывающий выходной канал, крышку корпуса с установленной в ней механическим приводом, механический привод, осуществляющий поворот затвора при понижении или повышении давления внутри корпуса и механизм взвода механического привода. При этом затвор выполнен в виде основания с закрепленным на нем сферическим подвижным сегментом, перекрывающий седло выходного канала, при этом основание жестко закреплено на опоре, установленной в корпусе клапана, которая вращается вокруг своей оси валом механического привода (патент Российской Федерации на полезную модель №203081, по кл. МПК F16K 5/20, F16K 31/521 дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 08.09.2020 г., дата публикации 22.03.2021 г.).
Из уровня техники также известны и другие примеры технических решений для запорно-регулирующих клапанов: RU 19113 U1, 14.03.2001; RU 2271438 С2, 10.03.2006; RU60 666 U1, 13.04.2006; RU 56538 U1, 10.09.2006; RU 2285180 С1, 10.10.2006; RU 2353843 С1, 27.04.2009; RU 2447259 С2, 10.04.2012; а также FR 2108821 А1, 26.05.1972; SU 875162 А1, 23.10.1981; DE 4422055 С1, 07.12.1995; WO 2009138849 А1, 19.11.2009; и др.
Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа заявленной полезной модели, является односедельный поворотный сегментный клапан, содержащий корпус с входным и выходными отверстиями, расположенными на одной оси, седло клапана с конической уплотнительной поверхностью, расположенное у входного отверстия, запорный элемент - плунжер, выполненный в форме сегмента с уплотнительной конической поверхностью и с прикрепленными к нему двумя рычагами, на концах которых жестко закреплены шипы, и установленный в корпусе с эксцентриситетом относительно плоскости уплотнения и оси уплотнительной поверхности седла, обеспечивающий в закрытом положении герметичное прилегание уплотнительной поверхности к конусу седла, и поворотный привод. Данный клапан, в частности, производится ЗАО «ДС Контролз» ОГРН 1025300782407, ИНН 5321065626 (Мазонейлан. Инструкция по эксплуатации регулирующего клапана Камфлекс серия 35002 с электроприводом. Инструкция №EF 5000 Р1, URL: https://dscontrols.net/upload/iblock/deb/debab508f3f234dcba4f97871f221976.pdf, дата обращения 31.03.2022 г.).
Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной технической цели, являются: сложность и дороговизна изготовления, хотя этот запорно-регулирующий клапан эффективен при использовании в средах, содержащих абразивные включения. Для уменьшения абразивного износа детали, обеспечивающие регулирование расхода и герметичность, седло и запорный элемент - плунжер (сегмент) изготовлены из твердого сплава, что тоже является недостатком данного клапана. Кроме того, даже при высокой точности изготовления деталей, при посадке плунжера на седло необходимо обеспечивать усилия прижатия плунжера к седлу сопоставимое с силой гидростатического давления. Это усилие создается за счет передачи крутящего момента, прикладываемого к одному из шипов (оси вращения) жестко соединенных с рычагами плунжера, т.е. детали клапана нагружены не одинаково и находятся в сложном напряженно-деформированном состоянии, следствием чего является утяжеление запорно-регулирующего клапана. Следующим недостатком прототипа является увеличенный сверх необходимого внутренний объем клапана, отсюда его повышенные габариты, вес и гидравлические потери, вызванные большими объемами зон вихреобразования.
Общей технической проблемой вышеприведенных аналогов является тот факт, что все существующие до сих пор известные решения в области конструирования клапанов характеризуются более высоким износом в зоне уплотнения и уплотнительной поверхности, чем в других местах. Это обосновано тем фактом, что радиус поворота в этой области очень мал, а также тем фактом, что геометрия задана посредством уплотнительной поверхности конической формы в очень узких пределах. В зависимости от выбора эксцентриситета, становится известен угол конусности и его расположение в пространстве среди известных конструкций.
Причиной, препятствовавшей разработке новых запорно-регулирующих клапанов, является то, что уплотнение, находящееся в запорном элементе, больше не имеет контакта с уплотнительной поверхностью в корпусе клапана, если клапан открыт по меньшей мере на 10°. Этот контакт во время процесса действия связан с высоким коэффициентом трения и износом, и избежать его возможно только путем увеличения второго эксцентриситета (смещение плоскости уплотнения относительно оси вала), однако это приводит к увеличению крутящего момента устройства из-за неравномерного распределения давления на запорном элементе (патент Российской Федерации на изобретение №2699453, по кл. МПК F16K 1/22, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 15.08.2018 г., дата публикации 05.09.2019 г., конвенционный приоритет 07.05.2018 ЕР ЕР 18000434, стр. 7).
Таким образом, существует необходимость создания клапана, включающего в себя запорную и регулирующую функции, а также имеющего преимущества эксцентриковых клапанов, при этом дополнительно обеспечивая минимальный износ между уплотнением и поверхностью уплотнения.
Решение вышеуказанных технических проблем, в частности у прототипа заявленной полезной модели, обеспечивается в конструкции сегментного запорно-регулирующего клапана, состоящего из находящихся в функционально-конструктивном единстве корпуса, имеющего форму цилиндра относительно геометрической оси, соединяющей центры входного и выходного патрубков, седла с уплотнительной конической поверхностью, расположенного у входного патрубка корпуса клапана, вала с запорным элементом, выполненным в форме сегмента с ответной уплотнительной конической поверхностью и перекрывающим седло входного патрубка корпуса клапана, отличающегося тем, что диаметр центральной части корпуса клапана больше диаметра во входном и выходном патрубках, необходимого для прохождения рабочей среды, и выбран из условия размещения в корпусе клапана при его полном открытии сегментного запорного элемента, имеющего четыре смещения: за счет смещения оси вала относительно оси корпуса клапана, за счет смещения плоскости уплотнения запорного элемента относительно оси вала, за счет радиального смещения вершин конуса запорного элемента относительно оси трубопровода и за счет смещения оси опорной поверхности седла относительно оси корпуса клапана.
Благодаря выдвижению сегментного запорного элемента за пределы рабочего диаметра трубопровода клапан имеет полный проход рабочей среды в открытом состоянии (высокую пропускную способность), при минимальных потерях давления потока рабочей среды и незначительном увеличении размера и веса клапана.
Кроме того, «растяжка» эллиптической опорной поверхности запорного элемента до формы круга также делает проходное сечение сегментного запорно-регулирующего клапана с четырьмя эксцентриситетами на типоразмер больше, чем у аналогичного клапана с тремя эксцентриситетами, увеличивая тем самым коэффициент пропускной способности клапана.
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является увеличение коэффициента пропускной способности сегментного запорно-регулирующего клапана в открытом состоянии (обеспечение полного прохода рабочей среды) и обеспечение герметичности класса А по ГОСТ 9544-2015 в закрытом состоянии, при этом обеспечивая минимальный износ между уплотнением и поверхностью уплотнения и сохраняя малые конструктивные размеры и вес клапана.
Сущность заявленной полезной модели (сегментного запорно-регулирующего клапана) и возможность ее практической реализации поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5 и 6, где
фиг. 1 - общий вид сегментного запорно-регулирующего клапана;
фиг. 2 - укрупненный вид А;
фиг. 3 - укрупненный вид Б;
фиг. 4 - укрупненный вид разреза Г-Г;
фиг. 5 - укрупненный вид разреза Д-Д;
фиг. 6 - принцип конструкции сегментного запорно-регулирующего клапана с четырьмя эксцентриситетами (смещениями запорного элемента).
Общая конструкция сегментного запорно-регулирующего клапана (фиг. 1-6) состоит из находящихся в функционально-конструктивном единстве составных частей (деталей): 1 - корпус; 2 - скоба; 3 - втулка стопорная; 4 - сегментный запорный элемент; 8 - втулка; 9 - кольцо верхнее уплотнительное; 10 - шайба; 11 - седло; 12 - шайба; 15 - кольцо нижнее уплотнительное; 16 - кольцо; 18 - фланец; 19 - фланец; 21 - втулка; 23 - втулка; 25 - пробка; 27 - вал; 28 - шпиндель; 30 - ушко; 32 - захлопка; 33 - ррокладка; 34 - кольцо; 57 - электропривод, соединенных между собой сборочными операциями и сборочными единицами: 37 - Винт ГОСТ Р ИСО 4026-2013; 38 - Винт ГОСТ 11738-84; 39 - Винт ГОСТ 11738-84; 40 - Гайка ГОСТ 5915-70; 41 - Гайка ГОСТ 5915-70; 43 - Кольцо ГОСТ 18839-73; 44 - Набивка ГОСТ 5152-84; 45 - Прокладка ГОСТ 23358-87; 47 - Шайба ГОСТ 11371-78; 48 - Шайба ГОСТ 11371-78; 49 - Шайба ГОСТ 6402-70; 50 - Шпилька ГОСТ 22032-76; 51 - Шпилька ГОСТ 22032-76; 53 - Шпонка ГОСТ 23360-78; 55 - Прокладка СНП ТУ 5728-033-50187417-04; 56 - Шайба GLACIER-WC18DU-04X.
Принцип работы сегментного запорно-регулирующего клапана с четырьмя смещениями сегментного запорного элемента 4 основан на вращательном движении сегментного запорного элемента 4 относительно оси вала 27 и шпинделя 28 в конструкции корпуса 1.
Корпус 1 сегментного запорно-регулирующего клапана (фиг. 1-5) имеет форму цилиндра (обреза трубы) относительно геометрической оси, соединяющей центры входного и выходного патрубков. Возможное смещение геометрической оси корпуса 1, а также величину радиуса в его центральной части выбирают из условия размещения в корпусе 1 сегментного запорного элемента 4 при полном открытии клапана, что обеспечивает полный проход рабочей среды, также как у шарового крана или задвижки. Конструкция корпуса 1 цельная, исключает промежуточные соединения «корпус-крышка», что снижает вес и габариты клапана, снижает вероятность протечек в окружающую среду, а также упрощает обслуживание клапана. Кроме того, простая и обтекаемая форма корпуса 1 обеспечивает высокую устойчивость к эрозионному износу, исключает вероятность образования застойных зон, поддерживает высокую пропускную способность клапана, обеспечивает самостоятельную компенсацию в случае изменения температуры рабочей среды, исключает блокировку или заклинивание сегментного запорного элемента 4 в седле 11, а также устойчива к гидро- и пневмоударам.
Запорный элемент 4, выполненный в форме сегмента с уплотнительной конической поверхностью и расположенный у входного отверстия клапана, имеет три эксцентриситета (смещения), как у всех известных из уровня техники 3-х эксцентриковых запорно-регулирующих клапанов (фиг. 6):
Х1 - смещение оси вала относительно оси симметрии проходного отверстия корпуса;
Х2 - смещение плоскости уплотнения запорного элемента относительно оси вала;
Х3 - радиальное смещение вершин конуса запорного элемента относительно оси трубопровода.
Но в отличие от трехэксцентриковых запорно-регулирующих клапанов разработанная конструкция имеет четвертый эксцентриситет (смещение) - Х4 на фиг. 6. Плоскость седла у запорно-регулирующих клапанов с тремя эксцентриситетами (смещениями) располагается с наклоном (то есть не перпендикулярно) по отношению к оси симметрии конуса седла, а контуры седла в вертикальной проекции соответствуют форме сечения эллипса. У заявленных сегментных запорно-регулирующих клапанов конус выполнен таким образом, что контуры плоскости сегментного запорного элемента 4 имеют форму круга: диаметр D на фиг. 6. «Растяжка» эллиптической опорной поверхности седла 11 сегментного запорно-регулирующего клапана до формы круга делает проходное сечение клапана на типоразмер больше, чем у запорно-регулирующих клапанов с тремя эксцентриситетами, увеличивая коэффициент пропускной способности клапана. Кроме того, так как угол при вершине конуса, образующего поверхность седла 11, больше 8° (В.Н. Евреинов. Гидравлика. Издательство «Водный транспорт». - Л. - М., 1939 г., стр. 240-242), при котором происходит безотрывное течение потока рабочей среды, уплотнительные кольца 9 и 15 находятся в вихревых карманах, где скорость потока меньше, чем в основном потоке и испытывают меньший износ при наличии абразивных частиц.
Седло 11 с уплотнительной фаской закреплено в корпусе посредством резьбового фиксатора. Касание металлических поверхностей седла 11 и сегментного запорного элемента 4 только в последний момент закрытия клапана или в начальный момент открытия, тем самым исключается постоянный контакт уплотнительных поверхностей в рабочей среде с абразивными включениями в процессе перемещения затвора, что предохраняет их от повреждений и истирания и обеспечивает отсутствие трения в седле 11 на всем протяжении поворота сегментного запорного элемента 4 до момента его прилегания к седлу 11, чем значительно увеличивается срок эксплуатации клапана.
Исполнительный механизм (например, электропривод 57 или ручной дублер) через шпиндель 28 и вал 27 вращает сегментный запорный элемент 4 в диапазоне до 90°, чем достигается возможность работы клапана в полуоткрытом состоянии запорного элемента. Установка вала 27 в двух опорах повышает надежность конструкции и срок эксплуатации, а дополнительные эластичные кольца в подшипниковых втулках 21 и 23 изолируют направляющие поверхности от воздействия рабочей среды, обеспечивая безотказную работу клапана в агрессивных средах.
Известных решений, содержащих сходные отличительные признаки полезной модели, автором не обнаружено.