РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН ОСЕВОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ)
AXIAL TYPE CONTROL VALVE (VERSIONS)

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к регулирующим клапанам осевого типа, предназначенным для регулирования давления и расхода на нагнетательных трубопроводах и поддержания пластового давления, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, преимущественно в газовой, нефтяной, химической, металлургической, для перекачки жидких и газовых сред, в том числе загрязненных. Изобретение может быть применено в действующих и строящихся трубопроводах вместо импортных регулирующих клапанов осевого типа, например фирмы «Моквелд».
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Задачей регулирующей арматуры является поддержание в заданных пределах параметров рабочей среды - давления, расхода, температуры, состава и других. Такое регулирование происходит за счет изменения расхода среды через проходное сечение регулирующего органа. Значение этого вида арматуры определяется тем, что от работы регулирующего органа в конечном счете зависит поддержание нормального режима и работоспособности всей системы автоматического регулирования, в которую регулирующая арматура встроена. Поэтому каждый из типов регулирующей арматуры следует рассматривать как элемент системы автоматического управления технологическим процессом, который протекает с участием жидких и газообразных рабочих сред и регулируется под воздействием получаемой командной информации.
Регулирующие клапаны включают в себя весьма большое разнообразие конструкций, предназначенных для работы в широком диапазоне условий эксплуатации по областям применения, рабочим средам, диаметрам трубопроводов, рабочим давлениям и т.д. Причем регулирующие клапаны выполняют только функцию регулирования, а герметичность при полностью закрытом клапане не обеспечивается. Негерметичность регулирующего органа - затвора - допускается в пределах доли процента от пропускной способности Kvy.
Главные, самые существенные различия регулирующих клапанов заключаются в конструкциях регулирующих органов. Например, регулирующие клапаны (клеточные) позволяют снизить шум, вибрацию и кавитацию при работе клапана, так как при осевом течении (осесимметричном течении) среды через корпус клапана нет резких изменений направления течения среды, что снижает турбулентность, устраняет эрозию и вибрацию, а редуцирование давления на триме снижает динамический шум. Клеточный клапан осевого типа, устанавливаемый в трубопроводе, состоит из корпуса с входным и выходным патрубками, в котором с возможностью возвратно-поступательного движения размещен поршень, связанный с помощью шпинделя с приводом. Затвор-поршень выполнен в виде полого цилиндра, который перемещается внутри клетки - направляющей, являющейся седлом в корпусе. В клетке имеются радиальные отверстия (перфорация), позволяющие регулировать расход среды (см. Р.Ф. Усватов-Усыскин. «Поговорим об арматуре». 12 лекций-бесед для начинающих. Издание 2. М., 2010. с. 171-180. рис. 11.6).
Из уровня техники известен регулирующий клапан осевого типа, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками и, соответственно, с каналами высокого и низкого давления рабочей среды, в котором с возможностью перемещения вдоль продольной оси корпуса размещен поршень, соединенный шпенделем с приводом, а также уплотнительной части клапана, в одной из указанных частей, в кольцевой полости которой размещены кольцевые манжета и вкладыш (см. US3 504884 (A), F16K 3/24, 1970).
В указанном регулирующем клапане при закрытом положении происходят утечки рабочей среды вследствие недостаточно полного перекрытия кольцевого зазора уплотнительной части клапана кольцевой манжетой, а также недостаточного постоянства свойств материалов уплотнения (манжеты и вкладыша) при изменении рабочей температуры. Кроме того, уплотнительная манжета в таком регулирующем клапане подвержена повреждению во время закрытия клапана за счет так называемого «захвата» или фреттинга при полном давлении.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является регулирующий клапан осевого типа, содержащий корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды, в котором в осевых расточках соосных продольной оси 6 корпуса 1 установлены втулка 7 с кольцевой выемкой 8, жестко соединенная с сепаратором 9 с кольцевой выемкой 10, внутри которых коаксиально размещен поршень 11 с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 и с радиальным зазором «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 со сквозными отверстиями 12 и втулкой 7 с другой стороны, причем кольцевые выемка 8 втулки 7 и выемка 10 сепаратора 9 образуют полость 13 с щелью 14, в которой размещены кольцевая манжета 15 с уплотнительной губкой 16 со стороны ее внутренней поверхности и выступающей из щели 14 в радиальный зазор «А» и кольцевой вкладыш 17, кроме того, поршень 11 соединен шпинделем 18 с приводом 19 (см. WO 2004/083691, F16K 3/24, 2004).
В описанном регулирующем клапане минимизирована утечка рабочей среды при различных рабочих температурах, а радиальный зазор «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 и втулкой 7 с другой стороны запирается как в предусмотренном направлении потока рабочей среды, так и в противоположном направлении потока, что позволяет защитить элементы конструкции от ударов обратных потоков. Однако уплотнительная губка 16 манжеты 15 в этом регулирующем клапане подвержена повреждению во время закрытия клапана за счет так называемого «захвата» или фреттинга при полном давлении. Кроме того, скорость процесса переключения регулирующего клапана ограничена инерцией массы поршня 11 и штока 18, а также усилием в приводе 19 клапана.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание модернизированных конструкций регулирующих клапанов осевого типа, обладающих повышенной надежностью и увеличенным ресурсом эксплуатации клапана для действующих и строящихся нагнетательных трубопроводов.
В результате решения данной задачи при реализации изобретения могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в уменьшении массы и габаритов регулирующего клапана, увеличении скорости переключения клапана, уменьшении вероятности повреждения уплотнительной манжеты при переключении клапана и минимизации утечки различных рабочих сред при высоких и низких рабочих температурах и/или давлениях.
Данные технические результаты достигаются тем, что в первом варианте регулирующего клапана осевого типа, содержащего корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды, в котором в осевых расточках соосных продольной оси 6 корпуса 1 установлены втулка 7 с кольцевой выемкой 8, жестко соединенная с сепаратором 9 с кольцевой выемкой 10, внутри которых коаксиально размещен поршень 11 с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 с радиальным зазором «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 со сквозными отверстиями 12 и втулкой 7 с другой стороны, причем кольцевые выемка 8 втулки 7 и выемка 10 сепаратора 9 образуют полость 13 с щелью 14, в которой размещены кольцевая манжета 15 с уплотнительной губкой 16 со стороны ее внутренней поверхности и выступающей из щели 14 в радиальный зазор «А» и кольцевой вкладыш 17, кроме того, поршень 11 соединен штоком 18 с приводом 19, кроме этого манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с конической внутренней поверхностью 26 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и/или конической внутренней поверхности 26 клина 20 с конической внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом первом варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
min
тор
min
кан
кл
кан
d≤d≤d+Δ⋅tgα,
где  - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Также вышеуказанные технические результаты достигаются тем, что во втором варианте регулирующего клапана осевого типа, содержащего корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды, в котором в осевых расточках, соосных продольной оси 6 корпуса 1, установлены втулка 7 с кольцевой выемкой 8, жестко соединенная с сепаратором 9 с кольцевой выемкой 10, внутри которых, коаксиально размещен поршень 11 с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 с радиальным зазором «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 со сквозными отверстиями 12 и втулкой 7 с другой стороны, причем кольцевые выемка 8 втулки 7 и выемка 10 сепаратора 9 образуют полость 13 с щелью 14, в которой размещены кольцевая манжета 15 с уплотнительной губкой 16 со стороны ее внутренней поверхности и выступающей из щели 14 в радиальный зазор «А» и кольцевой вкладыш 17, кроме того, поршень 11 соединен штоком 18 с приводом 19, кроме этого, манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с цилиндрической внутренней поверхностью 28 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца цилиндрического клина 20 с конической внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом втором варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
min
тор
min
кан
кл
кан
d≤d≤d+Δ⋅tgβ,
где  - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Кроме того, вышеуказанные технические результаты достигаются также тем, что в третьем варианте регулирующего клапана осевого типа, содержащего корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды, в котором в осевых расточках, соосных продольной оси 6 корпуса 1, установлены втулка 7 с кольцевой выемкой 8, жестко соединенная с сепаратором 9 с кольцевой выемкой 10, внутри которых коаксиально размещен поршень 11 с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 с радиальным зазором «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 со сквозными отверстиями 12 и втулкой 7 с другой стороны, причем кольцевые выемка 8 втулки 7 и выемка 10 сепаратора 9 образуют полость 13 с щелью 14, в которой размещены кольцевая манжета 15 с уплотнительной губкой 16 со стороны ее внутренней поверхности и выступающей из щели 14 в радиальный зазор «А» и кольцевой вкладыш 17, кроме того, поршень 11 соединен штоком 18 с приводом 19, кроме этого, манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного в виде усеченного кольцевого конуса с радиусом основания R конической внутренней поверхности больше радиуса r торца конической внутренней поверхности 29 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 с конической внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом третьем варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
min
тор
min
кан
кл
кан
d≤d≤d+Δ⋅tgβ,
где  - минимальный диаметр наружной конической поверхности уплотнительной губки 16, м;
Δ - глубина канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона наружной конической поверхности уплотнительной губки 16 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Кроме этого, вышеуказанные технические результаты достигаются также тем, что в четвертом варианте регулирующего клапана осевого типа, содержащего корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды, в котором в осевых расточках, соосных продольной оси 6 корпуса 1, установлены втулка 7 с кольцевой выемкой 8, жестко соединенная с сепаратором 9 с кольцевой выемкой 10, внутри которых коаксиально размещен поршень 11 с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 с радиальным зазором «А» между поршнем 11 с одной стороны и сепаратором 9 со сквозными отверстиями 12 и втулкой 7 с другой стороны, причем кольцевые выемка 8 втулки 7 и выемка 10 сепаратора 9 образуют полость 13 с щелью 14, в которой размещены кольцевая манжета 15 с уплотнительной губкой 16 со стороны ее внутренней поверхности и выступающей из щели 14 в радиальный зазор «А» и кольцевой вкладыш 17, кроме того, поршень 11 соединен штоком 18 с приводом 19, кроме того манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с цилиндрической внутренней поверхностью 30, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с конической внутренней поверхностью 26 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и конической внутренней поверхности 26 клина 20 с цилиндрической внутренней поверхностью 30 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом четвертом варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
кан
кл
кан
тор
d≤d≤d+Δ⋅tgα,
кан
где d - диаметр внутренней цилиндрической поверхности 30 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней цилиндрической поверхности 30, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Причем в заявляемых первом, втором, третьем и четвертом вариантах регулирующего клапана:
кл
кан
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32 и ее диаметром d, равным диаметру d цилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24;
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34 и углом наклона ϕ к внутренней поверхности сепаратора 9, равным углу наклона γ конической внешней поверхности 29 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9;
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34 и углом наклона ϕ к внутренней поверхности сепаратора 9 меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9;
- глубина кольцевой канавки 24 со стороны внутренней поверхности 25 выполнена больше ширины щели 14 для уплотнительной губки 16;
- торцевой зазор «Б» выполнен меньше осевого зазора «В»;
- в торцевой части 13 кольцевого вкладыша 17 выполнена выемка 35 в сторону клина 20;
- в качестве конструкционных материалов кольцевого вкладыша 17 с клином 20 и кольцевой манжеты 15 с уплотнительной губкой 16 использованы антифрикционные материалы.
Отличительной особенностью описываемого изобретения является то, что в первом варианте регулирующего клапана осевого типа манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с конической внутренней поверхностью 26 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и/или конической внутренней поверхности 26 клина 20 с внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом первом варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
min
тор
min
кан
кл
кан
d≤d≤d+Δ⋅tgα,
min
кан
где d - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Также отличительной особенностью описываемого изобретения является то, что во втором варианте регулирующего клапана осевого типа манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25 (внешняя поверхность уплотнительной губки 16), внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с цилиндрической внутренней поверхностью 28 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца цилиндрического клина 20 с конической внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
Причем в заявляемом втором варианте регулирующего клапана диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
где  - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Кроме того, отличительной особенностью описываемого изобретения является то, что в третьем варианте регулирующего клапана осевого типа манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической внутренней поверхностью 25, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного в виде усеченного кольцевого конуса с радиусом основания R конической внутренней поверхности больше радиуса r торца конической внутренней поверхности 29 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 с конической внутренней поверхностью 25 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
тор
кл
Причем в заявляемом третьем варианте регулирующего клапана диаметр d внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
min
тор
min
кан
кл
кан
d≤d≤d+Δ⋅tgβ,
min
кан
где d - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Кроме этого, отличительной особенностью описываемого изобретения является то, что в четвертом варианте регулирующего клапана осевого типа манжета 15 установлена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, направленным в сторону втулки 7, и установлен в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями своей торцевой частью 21 с цилиндрическими внешней и внутренней поверхностями, причем в торцевой стенке 22 выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 через сквозное отверстие 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, при этом в манжете 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с цилндрической внутренней поверхностью 30, внутри которой установлен клин 20 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20, выполненного с конической внутренней поверхностью 26 и контактом, по крайней мере, цилиндрических внешних и/или внутренних поверхностей торцевой части 21 кольцевого вкладыша 17 и выемки 10 сепаратора 9 полости 13, соответственно, а также с возможностью радиального перемещения уплотнительной губки 16 внутри щели 14 за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и конической внутренней поверхности 26 клина 20 с цилиндрической внутренней поверхностью 30 кольцевой канавки 24, кроме того, величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» выполнена не больше величины радиального зазора «А», а кольцевая манжета 15 и уплотнительная губка 16 изготовлены из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20.
Причем в заявляемом четвертом варианте регулирующего клапана диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 выбран из условия:
кан
где d - диаметр внутренней цилиндрической поверхности 30 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней цилиндрической поверхности 30, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Причем в заявляемых первом, втором, третьем и четвертом вариантах регулирующего клапана:
кл
кан
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32 и ее диаметром d, равным диаметру d цилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24;
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34 и углом наклона ϕ к внутренней поверхности сепаратора 9, равным углу наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9;
- кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34 и углом наклона ϕ к внутренней поверхности сепаратора 9 меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9;
- глубина кольцевой канавки 24 со стороны внутренней поверхности 25 выполнена больше ширины щели 14 для уплотнительной губки 16;
- торцевой зазор «Б» выполнен меньше осевого зазора «В»;
- в торцевой части 13 кольцевого вкладыша 17 выполнена выемка 35 в сторону клина 20;
- в качестве конструкционных материалов кольцевого вкладыша 17 с клином 20 и кольцевой манжеты 15 с уплотнительной губкой 16 использованы антифрикционные материалы.
Таким образом, отличительными особенностями описываемого изобретения, в соответствии с вышеуказанными четырьмя вариантами, являются:
- размещение в кольцевой полости 13 с щелью 14 манжеты 15 с кольцевой канавкой 24, внутренняя поверхность которой является внешней поверхностью уплотнительной губки 16 манжеты 15 и кольцевого вкладыша 17 с клином 20, выполненным с возможностью возвратно- поступательного перемещения клина 20 внутри кольцевой канавки 24 вдоль продольной оси 6 корпуса 1 под воздействием рабочей среды высокого давления, поступающей в полость 13 через сквозные каналы 23 в торцевой стенке 22 сепаратора 9, соединяющие полость 13 через сквозные отверстия 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, а также выполнение внутренней поверхности клина 20 конической, а внешней поверхности уплотнительной губки 16 также конической, и при этом выполненной с возможностью радиального перемещения в щели 14, за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и/или конической внутренней поверхности 26 клина 20 с внешней конической поверхностью уплотнительной губки 16, выполненной из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20, или
- размещение в кольцевой полости 13 с щелью 14 манжеты 15 с кольцевой канавкой 24 ,внутренняя поверхность 25 которой является внешней поверхностью уплотнительной губки 16 манжеты 15 и кольцевого вкладыша 17 с клином 20, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения клина 20 внутри кольцевой канавки 24 вдоль продольной оси 6 корпуса 1 под воздействием рабочей среды высокого давления, поступающей в полость 13 через сквозные каналы 23 в торцевой стенке 22 сепаратора 9, соединяющие полость 13 через сквозные отверстия 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, а также выполнение внутренней поверхности клина 20 цилиндрической, а внешней поверхности уплотнительной губки 16 конической, и при этом выполненной с возможностью радиального перемещения в щели 14, за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца цилиндрического клина 20 с внешней конической поверхностью уплотнительной губки 16, выполненной из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20, или
- размещение в кольцевой полости 13 с щелью 14 манжеты 15 с кольцевой канавкой 24, внутренняя поверхность 25 которой является внешней поверхностью уплотнительной губки 16 манжеты 15 и кольцевого вкладыша 17 с клином 20, выполненным в виде усеченного кольцевого конуса с радиусом основания R конической внутренней поверхности больше радиуса r торца конической внутренней поверхности 29, а также с возможностью возвратно- поступательного перемещения клина 20 внутри кольцевой канавки 24 вдоль продольной оси 6 корпуса 1 под воздействием рабочей среды высокого давления, поступающей в полость 13 через сквозные каналы 23 в торцевой стенке 22 сепаратора 9, соединяющие полость 13 через сквозные отверстия 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, а также выполнение внутренней поверхности клина 20 конической, а внешней поверхности уплотнительной губки 16 также конической, и при этом выполненной с возможностью радиального перемещения в щели 14, за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 с конической внешней поверхностью уплотнительной губки 16, выполненной из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20, или
- размещение в кольцевой полости 13 с щелью 14 манжеты 15 с кольцевой канавкой 24, внутренняя поверхность 30 которой является внешней поверхностью уплотнительной губки 16 манжеты 15 и кольцевого вкладыша 17 с клином 20, выполненным с возможностью возвратно- поступательного перемещения клина 20 внутри кольцевой канавки 24 вдоль продольной оси 6 корпуса 1 под воздействием рабочей среды высокого давления, поступающей в полость 13 через сквозные каналы 23 в торцевой стенке 22 сепаратора 9, соединяющие полость 13 через сквозные отверстия 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды, а также выполнение внутренней поверхности клина 20 конической, а внешней поверхности уплотнительной губки 16 цилиндрической, и при этом выполненной с возможностью радиального перемещения в щели 14, за счет продольного перемещения клина 20 вдоль кольцевой канавки 24 с контактом по внутреннему периметру 27 торца клина 20 и конической внутренней поверхности 26 клина 20 с внешней цилиндрической поверхностью уплотнительной губки 16, выполненной из материала, эластичность которого выбрана выше материала кольцевого вкладыша 17 и клина 20, что обеспечивает достижение новых технических результатов, заключающихся в уменьшении массы и габаритов регулирующего клапана, увеличении скорости переключения клапана, уменьшении вероятности повреждения уплотнительной манжеты при закрытии клапана и минимизации утечки различных рабочих сред при высоких и низких рабочих температурах и/или давлениях.
Следует подчеркнуть, что только вся указанная совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи изобретения и получение вышеуказанных новых технических результатов.
Дело в том, что размещение в кольцевой полости 13 кольцевой манжеты 15 с уплотнительной губкой 16 и кольцевого вкладыша 17 с клином 20, установленным в кольцевой канавке 24 манжеты 15 в непосредственной близости от края канавки 24 при открытом регулирующем клапане (открытом положении поршня 11), а при закрытом регулирующем клапане (запирающем положении поршня 11) позволяет клину 20 вкладыша 17 под воздействием рабочей среды со стороны канала 4 высокого давления (действующей через сквозные каналы 23 на торец вкладыша 17) осуществлять перемещение вдоль продольной оси 6 корпуса 1 в сторону дна канавки 24 и путем воздействия на наружную поверхность уплотнительной губки 16 перемещать внутри щели 14 в направлении поршня 11 уплотнительную губку 16 кольцевой манжеты 15, чему способствует изготовление кольцевой манжеты 15 и уплотнительной губки 16 из материала, эластичность которого выбрана выше материала клина 20 и кольцевого вкладыша 17, и таким образом осуществить надежную герметизацию губкой 16 кольцевой манжеты 15 радиального зазора «А» между втулкой 7, сепаратором 9 и поршнем 11, а также уменьшить усилие на приводе 19 и исключить разрушение кольцевой манжеты 15 за счет ограничения хода кольцевого вкладыша 17 от сил давления рабочей среды, т.е. выполнить поставленную задачу изобретения.
Использование регулирующих клапанов осевого типа согласно заявляемому изобретению позволяет повысить работоспособность и надежность, а также увеличить ресурс эксплуатации регулирующих клапанов по сравнению с известными аналогами.
То есть изобретение позволяет достигнуть технический результат, недостижимый для известных аналогов.
Анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемым изобретением по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимые пункты формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не выявлены отличительные признаки предлагаемого изобретения и не установлено их влияние на технический результат.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», т.к. для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники.
Предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 изображен заявляемый регулирующий клапан осевого типа в разрезе; на фиг. 2 приведен узел уплотнения между втулкой, сепаратором и поршнем в закрытом положении клапана; на фиг. 3 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими внешними поверхностями и коническими внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 4 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими внешними поверхностями и коническими внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 5 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими внешними поверхностями и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 6 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими внешними поверхностями и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 7 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 8 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 9 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и разными углами наклона конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 10 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с одинаковыми углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и разными углами наклона конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 11 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с разными углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и одинаковыми углами наклона конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 12 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с разными углами наклона конических внешних поверхностей к поверхности сепаратора 9 и одинаковыми углами наклона конических внутренних поверхностей к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 13 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с разными углами наклона конических внешних и наружных поверхностей к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 14 показан первый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими внешними и внутренними поверхностями с разными углами наклона конических внешних и наружных поверхностей к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 15 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и цилиндрическими наружными поверхностями при открытом положении клапана; на фиг. 16 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и цилиндрическими наружными поверхностями при закрытом положении клапана; на фиг. 17 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 18 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 19 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и коническими наружными поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 20 показан второй вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены, соответственно, с конической и цилиндрической внутренними поверхностями и коническими наружными поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 21 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими наружными поверхностями и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 22 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими наружными поверхностями и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 23 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 24 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 и коническими внутренними поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 25 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными и внутренними поверхностями и разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при открытом положении клапана; на фиг. 26 показан третий вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными и внутренними поверхностями и разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 при закрытом положении клапана; на фиг. 27 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими наружными поверхностями и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при открытом положении клапана; на фиг. 28 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с цилиндрическими наружными поверхностями и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при закрытом положении клапана; на фиг. 29 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при открытом положении клапана; на фиг. 30 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с одинаковыми углами наклона к поверхности сепаратора 9 и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при закрытом положении клапана;
на фиг. 31 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при открытом положении клапана; на фиг. 32 показан четвертый вариант выполнения регулирующего клапана, в котором кольцевая канавка 24 в манжете 15 и клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены с коническими наружными поверхностями с разными углами наклона к поверхности сепаратора 9 и, соответственно, цилиндрической и конической внутренними поверхностями при закрытом положении клапана.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описываемый регулирующий клапан осевого типа показан на фиг. 1 и содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и, соответственно, с каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды. В осевых расточках корпуса 1, соосных продольной оси 6 корпуса 1, установлены втулка 7, в которой выполнена кольцевая выемка 8, и сепаратор 9, в которой выполнена кольцевая выемка 10. Причем втулка 7 жестко соединена с сепаратором 9, а внутри втулки 7 и сепаратора 9 коаксиально размещен поршень 11, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси 6 корпуса 1. Между втулкой 7 и сепаратором 9 с одной стороны и поршнем 11 с другой стороны предусмотрен радиальный зазор «А». Сепаратор 9 разделяет входной патрубок 2 и связанный с ним канал высокого 4 давления рабочей среды и выходной патрубок 3 и связанный с ним канал низкого 5 давления рабочей среды. Сепаратор 9 снабжен сквозными отверстиями (или профильными окнами) 12, соединяющими каналы высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды и позволяющими регулировать расход рабочей среды.
Кольцевая выемка 8 втулки 7 и кольцевая выемка 10 сепаратора 9 образуют закрытую кольцевую полость 13 с кольцевой щелью 14, образованную втулкой 7 и сепаратором 9, обеспечивающими возможность размещения в полости 13 кольцевой манжеты 15, а в щели 14 размещение уплотнительной губки 16, выполненной со стороны внутренней поверхности кольцевой манжеты 15 и выступающей из кольцевой щели 14 в радиальный зазор «А» (см. фиг. 2). Причем устанавливаемое в полости 13 уплотнение выполнено из двух деталей - кольцевой манжеты 15 и кольцевого вкладыша 17, выполненного с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри кольцевой полости 13 следующим за возвратно поступательным перемещением поршня 11 вдоль внутренней поверхности сепаратора 9, который для своего перемещения соединен штоком 18 с приводом 19. Предпочтительно, для удобства сборки, большая часть кольцевой манжеты 15 размещена в кольцевой выемке 8 втулки 7, а большая часть кольцевого вкладыша 17 помещена в кольцевой выемке 10 сепаратора 9 (см. фиг. 2).
Для изготовления кольцевого вкладыша 17 целесообразно использовать конструкционные материалы с низким коэффициентом трения, например капролон или алюминий. Кольцевой вкладыш 17 снабжен клином 20, сужающаяся часть которого направлена в сторону втулки 7, а торцевая часть 21 выполнена с кольцевыми цилиндрическими наружной и внутренней поверхностями, выполненными с возможностью продольного перемещения кольцевого вкладыша 17 вдоль кольцевых цилиндрических наружной и внутренней поверхностей выемки 10 сепаратора 9, причем, по крайней мере, одна из указанных поверхностей выемки 10 выполняет функцию направляющей для кольцевого вкладыша 17. Кроме того, в торцевой стенке выемки 10 сепаратора 9 выполнен, по меньшей мере, один сквозной канал 23, соединяющий кольцевую полость 13 посредством сквозных отверстий 12 с каналом 4 высокого давления рабочей среды. Диаметр сквозных каналов 23 и их количество обеспечивают дросселирование рабочей среды при закрытии регулирующего клапана.
В торце кольцевой манжеты 15 со стороны сепаратора 9 выполнена кольцевая канавка 24 с конической 25 (см. фиг. 3 - фиг. 26) или цилиндрической 30 (см. фиг. 27 - фиг. 32) внутренней поверхностью, также являющейся внешней кольцевой поверхностью уплотнительной губки 16 и направляющей для клина 20. Внутренняя поверхность кольцевого клина 20, как и внутренняя поверхность кольцевой канавки 24, выполнена с возможностью установки узкого торца клина 20 внутри кольцевой канавки 24 в непосредственной близости от края канавки 24 и контактом по внутреннему периметру 27 узкого торца клина 20 с внутренней поверхностью кольцевой канавки 24 при открытом клапане (открытом положении поршня 11). При закрытом клапане (запирающем положении поршня 11) под воздействием высокого давления рабочей среды, поступающей в полость 13 через сквозные отверстия 12 и каналы 23, клин 20 перемещается вдоль кольцевой канавки 24 в сторону ее дна. При этом диаметр внутренней поверхности на торце клина 20 выполнен не меньше диаметра внутренней поверхности на торце канавки 24, что обеспечивает постоянный контакт торца клина 20 с внешней поверхностью 25 уплотнительной губки 16 с увеличивающимся радиальным усилием на уплотнительную губку 16 по мере продвижения торца клина 20 вглубь канавки 24 и тем самым позволяет перемещать уплотнительную губку 16 вдоль щели 14 в сторону поршня 11 и таким образом осуществить надежную герметизацию губкой 16 манжеты 15 радиального зазора «А» между втулкой 7, сепаратором 9 и поршнем 11.
Величина выступающей части уплотнительной губки 16 из щели 14 в радиальный зазор «А» предпочтительно выполнена не больше величины радиального зазора «А».
В соответствии с первым вариантом заявляемого регулирующего клапана внутренняя поверхность 25 кольцевой канавки 24 в манжете 15 (внешняя поверхность уплотнительной губки 16) и внутренняя поверхность 26 клина 20 кольцевого вкладыша 17 выполнены коническими с одинаковыми углами наклона, соответственно, β и α к внутренней поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 3, фиг. 4, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 11 и фиг. 12) или с углом наклона β внутренней поверхности 25 канавки 24 к поверхности сепаратора 9 больше, чем угол наклона α внутренней поверхности 26 клина 20 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 5, фиг. 6, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 13 и фиг. 14).
кан
кл
Причем кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32. При этом диаметр dцилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24 выполнен равным диаметру dцилиндрической внешней поверхности 32 клина 20 (см. фиг. 3 и фиг. 4, а также фиг. 5 и фиг. 6).
Кроме того, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен равным углу наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 7 и фиг. 8, а также фиг 9 и фиг. 10).
Кроме этого, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 7 и фиг. 8, а также фиг. 13 и фиг. 14).
Диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 для первого варианта заявляемого регулирующего клапана выбран из условия:
где   - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град. В соответствии со вторым вариантом заявляемого регулирующего клапана внутренняя поверхность 25 кольцевой канавки 24 в манжете 15 (внешняя поверхность уплотнительной губки 16) выполнена конической, а внутренняя поверхность 28 клина 20 кольцевого вкладыша 17 выполнена цилиндрической (см. фиг. 15, фиг. 16, фиг. 17, фиг. 18, фиг. 19 и фиг. 20).
кан
кл
Причем кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32. При этом диаметр d цилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24 выполнен равным диаметру d цилиндрической внешней поверхности 32 клина 20 (см. фиг. 15 и фиг. 16).
Кроме того, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен равным углу наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 17 и фиг. 18).
Кроме этого, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 19 и фиг. 20).
Диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 для второго варианта заявляемого регулирующего клапана выбран из условия:
где   - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона конической внутренней поверхности 25 кольцевой канавки 24 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
В соответствии с третьим вариантом заявляемого регулирующего клапана внутренняя поверхность 25 кольцевой канавки 24 в манжете 15 (внешняя поверхность уплотнительной губки 16) выполнена конической, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен в виде усеченного кольцевого конуса с радиусом основания R конической внутренней поверхности 29 больше радиуса r торца конической внутренней поверхности (см. фиг. 21, фиг. 22, фиг. 23, фиг. 24, фиг. 25 и фиг. 26).
кан
кл
Причем кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32. При этом диаметр d цилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24 выполнен равным диаметру d цилиндрической внешней поверхности 32 клина 20 (см. фиг. 21 и фиг. 22).
Кроме того, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен равным углу наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 23 и фиг. 24).
Кроме этого, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 25 и фиг. 26).
Диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 для третьего варианта заявляемого регулирующего клапана выбран из условия:
где  - минимальный диаметр внутренней конической поверхности 25 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней конической поверхности 25, м;
β - угол наклона конической внутренней поверхности 25 кольцевой канавки 24 к внутренней поверхности сепаратора 9, град. В соответствии с четвертым вариантом заявляемого регулирующего клапана внутренняя поверхность 30 кольцевой канавки 24 в манжете 15 (внешняя поверхность уплотнительной губки 16) выполнена цилиндрической, а внутренняя поверхность 26 клина 20 кольцевого вкладыша 17 выполнена конической (см. фиг. 27, фиг. 28, фиг. 29, фиг. 30, фиг. 31 и фиг. 32).
кан
Причем кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с цилиндрической внешней поверхностью 31, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с цилиндрической внешней поверхностью 32. При этом диаметр d цилиндрической внешней поверхности 31 кольцевой канавки 24 выполнен равным диаметру dкл цилиндрической внешней поверхности 32 клина 20 (см. фиг. 27 и фиг. 28).
Кроме того, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен равным углу наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг.29 и фиг.30).
Кроме этого, кольцевая канавка 24 в манжете 15 может быть выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 выполнен с конической внешней поверхностью 34. При этом угол наклона ϕ конической внешней поверхности 34 к внутренней поверхности сепаратора 9 выполнен меньше угла наклона γ конической внешней поверхности 33 кольцевой канавки 24 к поверхности сепаратора 9 (см. фиг. 31 и фиг. 32).
Диаметр  внутреннего периметра 27 торца клина 20 для четвертого варианта заявляемого регулирующего клапана выбран из условия:
кан
где d - диаметр внутренней цилиндрической поверхности 30 кольцевой канавки 24, м;
Δ - глубина кольцевой канавки 24 по внутренней цилиндрической поверхности 30, м;
α - угол наклона конической внутренней поверхности 26 кольцевого клина 20 к внутренней поверхности сепаратора 9, град.
Глубина кольцевой канавки 24 со стороны внутренней поверхности 25 выполнена больше ширины щели 14 для кольцевой уплотнительной губки 16, но не больше глубины кольцевой канавки 24 со стороны цилиндрической внешней поверхности 27 или со стороны конической внешней поверхности 29. Уплотнительная губка 16 может быть изготовлена из антифрикционного материала, например из фторопласта.
Клин 20 при открытом положении поршня 11 установлен в кольцевой канавке 24 с торцевым зазором «Б» между манжетой 15 и торцевой частью 21 кольцевого вкладыша 17 и осевым зазором «В» между дном кольцевой канавки 24 и торцом клина 20. Причем торцевой зазор «Б» выполнен меньше осевого зазора «В».
В кольцевой части 21 кольцевого вкладыша 17, изготовленного из антифрикционного материала, выполнена выемка 35 в сторону клина 20, при этом выемка 35 выполнена с вогнутой поверхностью тела вращения, например, сферической, цилиндрической, эллиптической или конической формы, что способствует возвратно поступательному перемещению кольцевого клина 20 вдоль кольцевой канавки 24, а также дополнительной герметизации полости 13 со стороны сквозных каналов 23.
Работоспособность и надежность заявляемых вариантов регулирующего клапана подтверждена сдаточными испытаниями, проведенными на клапане АМ332.100.160.0001.00.00.00 в «НПО РЕГУЛЯТОР», и приемочными испытаниями, проведенными на испытательном полигоне запорно-регулирующей арматуры ОАО «ГАЗПРОМ». В испытываемом регулирующем клапане фторопластовая (фторопласт-4 ГОСТ 10007-80 Е) кольцевая манжета 15 выполнена с диаметрами цилиндрических наружной и внутренней поверхностей, соответственно равными 105,4 мм и 94,6 мм, толщиной, равной 5,87 мм, и глубиной кольцевой конической канавки 24, равной 2,76 мм, а капролоновый (капролон В ТУ 6-05-988) кольцевой вкладыш 17 выполнен с диаметрами цилиндрических наружной и внутренней поверхностей, соответственно равными 105,4 мм и 96,35 мм, толщиной, равной 5,2 мм, и длиной клина 20, равной 3,2 мм. Причем в испытываемом регулирующем клапане кольцевая канавка 24 в манжете 15 выполнена с конической внешней поверхностью 33, а клин 20 кольцевого вкладыша 17 также выполнен с конической внешней поверхностью 34 и углом наклона ϕ к внутренней цилиндрической поверхности сепаратора 9, равным углу наклона γ конической внешней поверхности 29 кольцевой канавки 24 к цилиндрической поверхности сепаратора 9, и выполненных равными 15°, при этом коническая внутренняя поверхность 26 клина 20 выполнена с углом наклона к внутренней цилиндрической поверхности сепаратора 9, равным 15°, а коническая внутренняя поверхность 25 (внешняя коническая поверхность уплотнительной губки 16) кольцевой канавки 24 выполнена с углом наклона к внутренней цилиндрической поверхности сепаратора 9, равным 25°.
Заявляемый регулирующий клапан осевого типа работает следующим образом. Рабочая среда, например, из трубопровода поступает через входной 2 патрубок литого корпуса 1 в канал 4 высокого давления, а затем, при открытом положении поршня 11, рабочая среда через сквозные отверстия 12 в сепараторе 9 попадает в канал низкого давления, после которого поступает через выходной 3 патрубок корпуса 1 в трубопровод. Поршень 11 жестко соединен спицами 36 со штоком 37, часть поверхности которого снабжена косыми зубьями под углом 45°, находящимися в зацеплении с аналогичными косыми зубьями, выполненными на поверхности шпинделя 18, радиальное перемещение которого приводом 19 обеспечивает аксиальное перемещение штока 37 поршня 11 и таким образом позволяет поршню 11 при его возвратно поступательном движении открывать либо частично или полностью закрывать сквозные отверстия 12 сепаратора 9 и тем самым перекрывать или регулировать поток рабочей среды через описываемый клапан. При закрытом положении поршня 11 радиальный зазор «А» между боковой поверхностью поршня 11 и сепаратором 9 герметично перекрыт уплотнительной губкой 16 кольцевой манжеты 15.
В открытом положении заявляемого регулирующего клапана поршень 11 смещен в сторону входного 2 патрубка (вправо) до упора в корпус 1, при этом, как показано на фиг. 3, фиг. 5, фиг. 7, фиг. 9, фиг. 11, фиг. 13, фиг. 15, фиг. 17, фиг. 19, фиг. 21, фиг. 23, фиг. 25, фиг. 27, фиг. 29 и фиг. 31, уплотнительная губка 16 кольцевой манжеты 15 слегка выступает из щели 14 (в зависимости от диаметра поршня на величину от 0,1 мм до 0,5 мм) - как раз настолько, что она приходит в контакт с наружной поверхностью поршня 11 при закрывающем положении поршня 11 и перекрывает радиальный зазор «А» между боковыми поверхностями поршня 11 и сепаратора 9.
1
При закрытом положении описываемого регулирующего клапана, как показано на фиг. 2, фиг. 4, фиг. 6 и фиг. 8, фиг. 10, фиг. 12, фиг. 14, фиг. 16, фиг. 18, фиг. 20, фиг. 22, фиг. 24, фиг. 26, фиг. 28, фиг. 30 и фиг. 32 - любое повышение разности давлений между входным 1 и выходным 2 патрубками корпуса 1 вызывает самоусиление действия герметизации уплотнительной губки 16 кольцевой манжеты 15 согласно данному изобретению. После контакта поршня 11 с уплотнительной губкой 16 кольцевой манжеты 15 (поршень 11 перекрывает щель 14) в разделяемых каналах высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды возникает перепад давлений. Сила давления рабочей среды F, воздействующая на торец клина 20 кольцевого вкладыша 17 со стороны входного 2 патрубка через сквозные каналы 23 в сепараторе 9, перемещает клин 20 внутри кольцевой канавки 24 манжеты 15 в сторону втулки 7 и своим торцом (см. фиг. 6, фиг. 10, фиг. 14, фиг. 16, фиг. 18, фиг. 20, фиг. 22, фиг. 24 и фиг. 26) или внутренней поверхностью клина 20 (см. фиг. 2, фиг. 4, фиг. 12, фиг. 28, фиг. 30 и фиг. 32) воздействует на наружную поверхность (внутреннюю поверхность кольцевой канавки 24) уплотнительной губки 16 с силой F, и таким образом увеличивает давление прижатия уплотнительной губки 16 к поршню 11, тем самым улучшая качество уплотнения. Причем совместное действие упругих сил деформации уплотнительной губки 16 и силы давления рабочей среды надежно обеспечивают уплотнение по классу IV для регулирующих клапанов и по классу А для запорных клапанов по ГОСТ Р 54808-2011 «Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов».
Диаметр и количество сквозных каналов 23 в сепараторе 9 выбрано минимально возможным, т.к. дроселирование рабочей среды через каналы малого диаметра обеспечивает задержку возникновения силы F1 при закрывании заявляемого регулирующего клапана, что, в свою очередь, снижает усилие в приводе 19.
Поршень 11, шток поршня 37 и шпиндель 18 в любом рабочем положении находятся в состоянии равновесия сил. Независимо от рабочего давления описываемый регулирующий клапан может быть включен и выключен без ограничений. Скорость процесса переключения ограничена инерцией массы поршня 11, штока 37 и шпинделя 18.
Заявляемое изобретение обладает преимуществами по сравнению с известными конструкциями регулирующих клапанов, в частности позволяет:
- минимизировать утечки рабочей среды при высоких и низких рабочих давлениях и/или температурах за счет использования:
1) упругих свойств материала манжеты 15 при малых перепадах давления между каналами высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды;
2) уплотнительного эффекта от действия сил давления рабочей среды, действующих при больших перепадах давления (например, разница давлений в каналах высокого 4 и низкого 5 давления рабочей среды в регулирующих клапанах осевого типа может достигать 24 МПа, и существует тенденция к ее увеличению);
- повысить надежность и ресурс клапана за счет исключения вероятности повреждения уплотнительной манжеты 15 (в частности, уплотнительной губки 16) при открывающем перемещении поршня 11 вследствие обеспечения возвратного перемещения клина 20 вкладыша 17 в исходное положение внутри конической канавки 24 манжеты15;
- уменьшить массогабаритные характеристики клапана и увеличить его скорость переключения за счет дросселирования рабочей среды через сквозные каналы 23 (эффект прижатия уплотнительной губки 16 к поршню 11 возникает с задержкой по времени), что обеспечивает снижение усилий в приводе 19.