Клапан предохранительный
SAFETY VALVE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, преимущественно к предохранительным устройствам для защиты контейнеров-цистерн, применяемых для хранения и транспортирования сжиженных газов и нефтепродуктов, от превышения в них давления среды сверх допустимого предела.
Известен предохранительный клапан для цистерн, содержащий корпус с седлом, крышку, фланец, шток с закрепленным на нем запорным элементом, поджимаемым пружиной, имеющей опорную гайку, закрепленную внутри корпуса; шток с запорным элементом и пружиной размещен во внутренней полости корпуса (см. рис. 4.31 стр. 185 книги «Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов» авторов: Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский и Ю.К. Кузьмин, издательство «Недра», г. Ленинград, 1988 г.).
Конструкция клапана имеет следующие недостатки: нахождение штока совместно с запорным элементом и пружиной внутри проходного сечения корпуса снижает пропускную способность клапана; наличие ряда {проходных отверстий в опорной гайке корпуса и в диске крышки способствует увеличению местного гидравлического сопротивления, и, соответственно, также ведет к уменьшению пропускной способности клапана.
Известен клапан предохранительный, содержащий фланец, в котором выполнено проходное отверстие с седлом в верхней части, шток с уплотнительной поверхностью, прижимаемый к седлу пружинами, отражающую тарелку, основной уплотнительный элемент и центрирующую втулку, закрепленную во фланце четырьмя ребрами и образующую площадь проходного сечения, большую на поле чем площадь проходного отверстия во фланце (патент на полезную модель RU 136865 F16K 17/04, 2013 г.).
Предохранительный клапан этой конструкции имеет следующие недостатки:
- для увеличения пропускной способности клапана необходимо выполнение площади проходного сечения в месте установки четырех ребер более, чем в 1,5 раза по сравнению с площадью проходного отверстия фланца увеличивает массо-габаритные характеристики предохранительного клапана;
- сочетание выполнения сложной поверхности центрирующей втулки, направляющей поток рабочей среды в виде двух тороидальных поверхностей, и сложной поверхности фланца, направляющей поток рабочей среды, в виде сферической и тороидальной поверхностей усложняет конструкцию и не способствует увеличению пропускной способности клапана;
- усложненная траектория потока рабочей среды между центрирующей втулкой и фланцем при сбросе среды после срабатывания клапана снижает активную подъемную силу потока среды, действующего на уплотнительные поверхности штока и основного запорного элемента и на тарелку образующую.
Данное техническое решение по патенту RU 13686 по большинству {признаков выбрано за прототип для предлагаемой конструкции клапана предохранительного.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание клапана предохранительного с увеличением пропускной способности, исключая сложную конфигурацию проходного канала рабочей среды к уплотнениям седла фланца со значительным увеличением площади его проходного сечения.
Решение поставленной задачи позволит создать компактную конструкцию клапана предохранительного с уменьшением массо-габаритных характеристики и с повышенной пропускной способностью.
Указанная задача решается за счет того, что в клапане предохранительном, содержащем фланец, в котором выполнено проходное отверстие с уплотнительным седлом в верхней части, имеющем коническую уплотнительную поверхность, шток с конической уплотнительной поверхностью, прижимаемой к седлу пружинами, отражающую тарелку, закрепленную на штоке, и уплотнительный элемент, установленный между штоком и тарелкой, шток выполнен в виде полого цилиндра с глухим днищем со стороны фланца и цилиндрической стенкой, внутренняя полость которого является проходным каналом, соединенным со стороны предохраняемой емкости с рабочей средой, а через окна, выполненные в цилиндрической стенке, соединенным с внешней средой через проходное отверстие фланца.
Днище полого цилиндра имеет профилированный конусный выступ с вершиной в сторону проходного канала штока.
Сущность технического предложения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид клапана предохранительного в положении «закрыто», а на фигуре 2 изображен общий вид клапана предохранительного в положении «открыто».
Клапан предохранительный состоит из фланца 1 с проходным отверстием 2 для потока рабочей среды, штока 3 с уплотнительным пояском 4, уплотнительного элемента 5, тарелки отражающей 6 и пружин 7, выполненных, например, в виде пакета тарельчатых пружин.
Фланец 1 имеет уплотнительное седло 8, выполненное, например, в виде конусной поверхности. Уплотнительный поясок 4 штока 3 прижимается к уплотнительному седлу 8 фланца 1 пакетом тарельчатых пружин 7.
Необходимое расчетное усилие сжатия пакета тарельчатых пружин 7 обеспечивается гайкой настройки 9. На цилиндрическую проточку штока 3 установлен уплотнительный элемент 5, поджатый тарелкой отражающей 6 при помощи гайки 10.
Шток 3 выполнен в виде полого цилиндра с глухим днищем 11 и цилиндрической стенкой 12. В цилиндрической стенке 12 выполнены проходные окна 13, граничащие с днищем 11 и расположенные в районе проходного отверстия 2 фланца 1. Внутренняя полость 14 штока 3 является проходным каналом, соединенным со стороны предохраняемой емкости с рабочей средой, а через проходные окна 13 соединена с внешней средой через проходное отверстие 2 фланца 1.
Днище 11 полого цилиндра штока 3 имеет профилированный конусный выступ 15 с вершиной, направленной в сторону внутренней полости 14 штока 3.
Клапан предохранительный работает следующим образом.
Рабочая среда, проходя через внутреннюю полость 14 штока 3, являющуюся проходным каналом, и через проходные окна 13 в цилиндрической стенке 12 сообщается с проходным отверстием 2 фланца 1 (см. фиг. 1). Рабочая среда воздействует своим давлением на шток 3 и при повышении величины давления до давления срабатывания подъемная сила, действующая на днище 11 штока 3, становится больше рабочего усилия пружин 7 и перемещает шток 3 с тарелкой отражающей 6 - происходит открытие клапана предохранительного. При открытии клапана происходит выброс рабочей среды (см. фиг. 2).
Наличие профилированного конусного выступа 15 на днище 11 штока 3 способствует формированию потока рабочей среды при выбросе, при этом реакция, действующая в направлении подъема штока 3, увеличивается.
Прямое осевое направление потока рабочей среды на днище 11 в проходном канале штока 3 обеспечивает безотказное срабатывание клапана при достижении в предохранительной емкости предельного давления полного открытия. Траектория потока рабочей среды из проходного канала штока 3 через проходные окна 13 и далее через проходное сечение, образованное закрылками 17 для поворота потока среды от тарелки отражающей 6, имеющей увеличенную рабочую площадь, воспринимающую давление среды, и профилированной выходной торцевой поверхности 18 фланца 1 обеспечивает работу клапана смешанного активно-реактивного действия (см. фиг. 2).
Реакция потока рабочей среды, действующая на днище 11 штока 3 и на тарелку отражающую 6, увеличивает подъем штока 3, повышая пропускную способность клапана предохранительного.
Выброс среды снижает давление в предохраняемой емкости, соответственно подъемная сила от действия давления среды становится меньше усилия пружин 7 и происходит закрытие клапана, при этом уплотнительный поясок 4 штока 3 опирается на уплотнительное седло 8 фланца 1, обеспечивая силовое уплотнение, воспринимающее основное усилие пружин 7 и не позволяющее деформировать уплотнительную поверхность уплотнительного элемента 5, при этом основной уплотнительный элемент 5, контактируя с уплотнительным седлом 8 фланца 1, создает дублирующее уплотнение, обеспечивая надежную герметизацию.
Прохождение среды через проходной канал 14 штока 3, свободный от нахождения других деталей в нем, позволяет создать клапан компактным с уменьшением габаритных размеров.