Запорный клапан
SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для использования в качестве запорного органа для перекрытия потока рабочей среды в трубопроводах, особенно, в трубопроводах энергетических установок, характеризующихся высокими значениями давления рабочей среды.
Известны конструкции запорных клапанов с угловым расположением патрубков, то есть с осевым и боковым.
Известен угловой запорный клапан, содержащий корпус с патрубками, золотник, закрепленный на штоке и привод управления (см., например, справочное пособие «Современные конструкции трубопроводной арматуры» под редакцией Ю.М. Котелевского, издательство «Недра», Москва, 1970 г., рис. 24, стр. 90). К недостаткам запорных клапанов аналогичной конструкции относится необходимость создания больших усилий в уплотнении затвора при подаче рабочей среды под золотник с высокими значениями давления рабочей среды и с большими диаметрами проходных сечений. Обеспечение клапанов приводом с требуемыми повышенными усилиями становится проблематичным.
Известен клапан, содержащий корпус, запорный орган, шток с узлом сальникового уплотнения и привод для управления запорным органом (см. книгу «Расчет и конструирование трубопроводной арматуры», А.Ф. Гуревич, издательство «Машиностроение», Ленинград, 1969 г., рис. 143, стр. 153). Клапан рассчитан на высокое давление среды Р=32 МПа, подача среды - под запорный орган. В связи с значительной величиной давления среды для создания расчетной удельной нагрузки на уплотнительных поверхностях затвора, необходимой для его герметизации в закрытом положении в клапане увеличен диаметр штока с выполнением в нем сквозного отверстия.
Между корпусом и приводом установлена специальная разгрузочная камера, в которой помещен хвостовик штока со вторым сальниковым уплотнением штока. Внутренний диаметр разгрузочной камеры соответствует наружному диаметру штока.
«Представляется, что ожидаемый существенный выигрыш в величине перестановочного усилия путем усложнения конструкции достигнут не был. Прежде всего, осталась без изменения величина усилия, необходимого для создания на уплотнительных поверхностях затвора удельной нагрузки, обеспечивающей его герметичность в закрытом положении. Даже неполное уравновешивание выталкивающего усилия повлекло за собой необходимость введения второго сальникового уплотнения, в результате чего сила трения выросла более чем в два раза (два сальника для штока с увеличенным диаметром). Можно также предположить, что в период существования такого клапана, скорее всего, применялись асбестографитовые уплотнения, отличающиеся более высоким коэффициентом трения, чем уплотнения с кольцами из терморасширенного графита. Превалирующее суммарное усилие трения в сальниках, скорее всего, обусловило изменение знака нагрузки на штоке в зависимости от направления перемещения штока, что, соответственно, вело к знакопеременной выборке люфтов вдоль ходовой системы. Таким образом, выполненную разгрузку клапана в целом нельзя отнести к удачным решениям. По-видимому, этим можно объяснить тот факт, что конструктивные решения подобного рода не получили дальнейшего распространения» (см. статью «Проблемы разгрузки регулирующих органов» авторов В.И. Черноштан, Э.Е. Благов и др., журнал «Арматуростроение», №1, 2014 г., стр. 32).
Данное техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому по числу общих признаков и решаемой задаче, принимается за прототип.
Технической задачей является создание запорного клапана, обеспечивающего снижение расчетного усилия для уплотнения затвора, необходимого при подаче рабочей среды под золотник, особенно для высоких значений давления.
Решение поставленной задачи позволяет снизить силовые характеристики привода и, соответственно, улучшить массогабаритные характеристики его и клапана в целом, а снижение требуемых удельных нагрузок на уплотнительные поверхности затвора позволяет обеспечить повышение степени герметичности по уплотнению.
Указанная задача решается за счет того, что в запорном клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и уплотнительным седлом, крышку и запорный орган, соединенный со штоком, имеющим сальниковое уплотнение и управляемым приводом, запорный орган снабжен поршнем, герметизируемым с корпусом уплотнением, и имеет сквозное отверстие, соединяющее полость входного патрубка с разгрузочной камерой, выполненной во внутренней полости корпуса между поршнем и крышкой.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где:
- на фигуре 1 показан продольный разрез клапана, положение "закрыто";
- на фигуре 2 показан продольный разрез клапана, положение "открыто".
Запорный клапан состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, запорного органа 4, штока 5, управляемого приводом (на чертеже не показан), крышки 6 с сальниковым уплотнением 7. Соединение крышки 6 с корпусом 1 герметизировано уплотнением 8. Корпус 1 имеет уплотнительное седло 9.
Запорный орган 4 закреплен на штоке 5 с помощью опорной гайки 10. Шток 5 имеет упорную головку 11, имеющую возможность взаимодействовать с запорным органом 4 через упорную шайбу 12 и с опорной гайкой 10.
Запорный орган 4 выполнен в виде цилиндра, верхняя часть которого составляет поршень 13. Поршень 13 герметизирован относительно корпуса 1 уплотнением 14.
Внутренняя полость корпуса 1 между крышкой 6 и поршнем 13 запорного органа 4 образует разгрузочную камеру 15. Диаметр разгрузочной камеры 15 максимально приближен к диаметру проходного сечения уплотнительного седла 9 и определяется расчетным путем, исходя из величины давления рабочей среды, действующей со стороны входного, патрубка 2.
Запорный орган 4 выполнен со сквозным отверстием 16, соединяющим внутреннюю полость входного патрубка 2 с внутренней полостью разгрузочной камеры 15. Сквозное отверстие 16 в районе узла соединения запорного органа 4 со штоком 5 имеет обводные каналы 17, охватывающие упорную шайбу 12.
В опорной гайке 10 выполнены пазы 18 для обеспечения прохода рабочей среды из полости входного патрубка 2 в полость 15 разгрузочной камеры 15.
Запорный клапан работает следующим образом.
В исходном положении клапан показан в положении "закрыто" (см. фиг.. 1).
Усилие от привода через шток 5 передается на запорный орган 4, прижимая его к уплотнительному седлу 9 корпуса с удельной нагрузкой, обеспечивающей герметичность по уплотнению затвора. Подача среды прекращена.
Усилие от действия рабочей среды на запорный орган, равное произведению давления среды на посадочный диаметр запорного органа 4 по уплотнительному седлу 9 компенсируется усилием рабочей среды, создаваемым в разгрузочной камере 15 и действующим на поршень 13 запорного органа 4. Потери развиваемого поршнем 13 усилия на трение уплотнения 14 могут быть компенсированы увеличением диаметра поршня 13 расчетным путем.
Конструкция поршня 13 в корпусе 1 позволяет увеличить его диаметр для создания дополнительной нагрузки на запорный орган 4 для увеличения удельной нагрузки на уплотнительные поверхности затвора, необходимой для обеспечения герметичности в закрытом положении.
Таким образом, снабжение запорного органа 4 поршнем 13 с уплотнением 14 и выполнение в корпусе 1 разгрузочной камеры 15, соединенной отверстием 16 с полостью входного патрубка 2, позволяет обеспечить выигрыш в величине расчетного усилия привода, необходимого для создания удельной нагрузки, обеспечивающей герметичность затвора в закрытом положении и способствует возможности создания дополнительного усилия на запорный орган 4.
При движении вверх шток 5 взаимодействует через упорную головку 11 на опорную гайку 10 и передает усилие привода на запорный орган 4 и перемещает его, открывая проходное сечение клапана.