Комбинированный клапан
COMBINATION VALVE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в трубопроводах энергетических установок, характеризующихся сложными условиями эксплуатации, высокими требованиями надежности и максимальными ограничениями по массогабаритным характеристикам.
В качестве запорного устройства для обеспечения безопасной работы паропроизводящей установки должно быть использовано устройство с двойным перекрытием проходного сечения, для чего необходимо установить два запорных органа, предпочтительно в одном корпусе.
Известны клапаны двухзапорные (см. изобретения по авторским свидетельствам SU 1376671 A1 F16K 11/04, 1986 г.; SU 1137848 F16K 11/20, 1983 г.), содержащие корпус с седлами и взаимодействующие с ними основной и дополнительный запорные органы, соединенные с коаксиально расположенными внутренним и наружным штоками, связанными с независимыми приводами.
Общими недостатками указанных клапанов является постоянное нахождение сальниковых уплотнений и уплотнения основного разъема корпуса с коробкой сальника под действием повышенного давления рабочей среды в отсеченной части трубопровода со стороны бокового патрубка и взаимное влияние при закрытии и открытии наружного и внутреннего штоков друг на друга. Приведенные недостатки снижают герметичность внутренней полости клапанов относительно внешней среды и обоих уплотнений по запорным органам и влияют на степень свободы перемещения штоков и установки запорных органов относительно уплотнительных седел корпуса, что снижает надежность работы клапана в целом.
Известны клапаны двухзапорные (см. патент US 2009/0094970 кл. F01N 7/00, 2009 г.; патент RU 2673922 С2 F16K 11/20, 2018 г.), содержащие корпус с седлами и взаимодействующие с ними два запорных органа, управляемые двумя коаксиально расположенными штоками, уплотняемыми сальниками и связанными с комбинированным приводом.
Указанные клапаны исключают постоянное нахождение сальниковых уплотнений под действием рабочей среды в положении «закрыто» и обеспечивают отсечение аварийной рабочей среды повышенных параметров при отсечении паропровода со стороны осевого патрубка. Герметичность запорных органов при этом повышается за счет действия перепада давления рабочей среды на запорные органы - используется эффект самоуплотнения.
Однако, взаимное влияние друг на друга наружного и внутреннего штоков совместно с сальниковыми уплотнениями и другими сопутствующими рабочими деталями при их работе в обеспечении закрытия или открытия запорных органов, а также взаимодействие деталей приводов между собой при их работе значительно влияют на работоспособность клапана, снижают степень герметичности запорных органов и надежность работы клапана в целом.
Известен комбинированный клапан, содержащий корпус, в котором размещены два клапана, имеющие запорные органы, каждый из которых взаимодействует со своим уплотнительным седлом в корпусе и соединен со своим независимо установленным штоком, управляемым каждый отдельным приводом (см. патент RU 2342578 C1 F16K 1/06, 2007 г.).
Раздельная работа каждого клапана при управлении каждого запорного органа независимым штоком от отдельного привода повышает надежность работы всего комбинированного клапана в целом.
Недостатком клапана является громоздкость конструкции, особенно, во внутренней полости корпуса в зоне проточной части, нахождение запорного органа одного из клапанов под действием давления рабочей среды «под затвор», без использования действия давления рабочей среды на запорный орган, то есть без использования эффекта самоуплотнения.
Другим существенным недостатком являются пониженные гидравлические характеристики комбинированного клапана из-за больших потерь давления рабочей среды при действии от входного патрубка к выходному. Это обусловлено наличием нескольких деталей (втулок) в районе проточной части и сложной трассой истечения рабочей среды, имеющей изломы направления потока, и усложненной конфигурацией потока рабочей среды перед и при прохождении щелевых каналов.
Данное техническое решение является прототипом для предлагаемой конструкции комбинированного клапана.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание комбинированного клапана, содержащего два клапана в одном корпусе, обеспечивающих двойное перекрытие проходного сечения паропровода с действием давления среды при аварийных отключениях на запорные органы и создание канала для потока рабочей среды во внутренней полости корпуса, имеющего оптимальные размеры, конфигурацию и направление, с обеспечением независимой работы клапанов при их открытии.
Решение поставленной задачи позволяет повысить надежность работы клапана и обеспечить улучшенные гидравлические характеристики.
Указанная задача решается за счет того, что в клапане комбинированном, содержащем два клапана в одном корпусе с входным и выходным патрубками, имеющие запорные органы, каждый из которых взаимодействует со своим уплотнительным седлом в корпусе и соединен со своим штоком, управляемым независимым приводом, уплотнительные седла корпуса и взаимодействующие с ними запорные органы обоих клапанов расположены последовательно со стороны дополнительного клапана, размещенного со стороны входного патрубка, при этом шток основного клапана проходит через проходное сечение корпуса между уплотнительными седлами и соединен с запорным органом, дополнительно имеющим возможность расположения в дополнительной внутренней полости запорного органа дополнительного клапана, выполненной с противоположной стороны от соединения его к штоку, при этом оси обоих клапанов выполнены под углом к общей оси проходного канала корпуса и его патрубков.
Шток основного клапана, размещенного со стороны выходного патрубка, снабжен обтекателем с профилированной внутренней поверхностью.
Предлагаемый комбинированный клапан представлен на чертежах, где:
- на фигуре 1 показан продольный разрез, положение «открыто»;
- на фигуре 2 показан продольный разрез, положение «закрыто».
Комбинированный клапан состоит из корпуса 1, во внутренней полости которого размещены два запорных клапана: основной 2 и дополнительный 3. Корпус 1 имеет входной 4 и выходной 5 патрубки и уплотнительные седла 6 и 7, расположенные со стороны входного патрубка 4.
Основной клапан 2 размещен со стороны выходного патрубка 5 и содержит запорный орган 8, закрепленный на штоке 9, уплотняемом сальником 10. На штоке 9 установлен обтекатель 11, внутренняя поверхность 12 которого в положении «открыто» идентична внутреннему очертанию выходного патрубка 5 в этой зоне. Обтекатель 11 установлен со стороны, противоположной запорному органу 8. Запорный орган 8 основного клапана 2 размещен со стороны входного патрубка 4.
Шток 9 дополнительно герметизирован относительно внешней среды сильфоном 13.
Основной запорный клапан 2 выполняет функцию отсечного клапана, используемого для срочного перекрытия потока рабочей среды в паропроводе в случае аварийной ситуации в энергетической установке или при подозрении на нее.
Дополнительный клапан 3 содержит запорный орган 14, закрепленный на штоке 15, уплотняемом сальником 16, размещен со стороны входного патрубка 4 и обеспечивает дополнительное перекрытие проходного сечения корпуса 1.
Шток 15 дополнительно герметизирован относительно внешней среды сильфоном 17.
Дополнительный запорный клапан 3 дублирует основной запорный клапан 2 по обеспечению герметичности перекрытия потока рабочей среды в случае подтверждения аварийной ситуации.
Шток 9 основного клапана 2 проходит через проходное сечение 18 корпуса 1 внутри уплотнительных седел 6 и 7. Запорный орган 8 имеет возможность расположения в положениях обоих клапанов 2 и 3 «открыто» или «закрыто» в дополнительной внутренней полости 19 запорного органа 14, выполненной со стороны, противоположной внутренней полости 20, в которой расположен узел соединения штока 15 с запорным органом 14.
Комбинированный клапан выполнен прямоточным: корпус 1, в котором расположены запорные органы 8 и 14 имеет соосные патрубки 4 и 5, а оси штоков 9 и 15 обоих клапанов 2 и 3 расположены под углом α к оси 21 проходного канала корпуса 1.
Общая ось 21 входного 4 и выходного 5 патрубко8 корпуса 1 в положении «открыто» обоих запорных клапанов 2 и 3 проходит между уплотнительными поясками запорных органов 8 и 14 и уплотнительными седлами 6 и 7 корпуса 1.
Выполнение комбинированного клапана прямоточным позволяет снизить гидравлическое сопротивление проточной части корпуса 1, улучшить компоновку конструкции и исключить наличие зон застоя рабочей среды.
Комбинированный клапан работает следующим образом.
При нормальной работе энергетической установки оба запорных органа 8 и 14 клапанов 2 и 3 находятся в положении «открыто», рабочая среда проходит через проточную часть корпуса 1 (см. фиг. 1): пар из парогенератора поступает в турбину.
Герметичность внутренней полости корпуса 1 относительно внешней среды по штокам 9 и 15, кроме сальников 10 и 16, обеспечивается сильфонами 13 и 17.
При необходимости отсечения секции парогенератора, например, при проверке аварийной ситуации, происходит закрытие запорного органа 8 основного клапана 2 до упора в седло 6 корпуса 1. При подтверждении аварийной ситуации закрывается запорный орган 14 дополнительного клапана 3 до упора в уплотнительное седло 7 корпуса 1 (см. фиг. 2).
Усилие от давления потока рабочей среды, действуя в направлении на запорные органы 8 и 14, обеспечивает принцип самоуплотнения и способствует повышению герметичности клапанов 2 и 3 по их затворам.
При открывании дополнительного клапана 3 шток 15 с запорным органом 14 перемещается, сжимая сильфон 17 (см. фиг. 1).
При открывании основного клапана шток 9 с запорным органом 8 перемещается, растягивая сильфон 13. При этом обтекатель 11 также перемещается и своей спрофилированной внутренней поверхностью 12 совмещается с профилем внутренней поверхности патрубка 5, обеспечивая плавность течения рабочей среды в этом сечении корпуса 1 и снижая гидравлические потери.
За счет обеспечения независимого управления каждого запорного органа 8 и 14 своими штоками 9 и 15 и приводами с созданием давления рабочей среды на затвор в положении «закрыто» для обоих клапанов повышается надежность работы комбинированного клапана в целом. Положение запорного органа 8 основного клапана 2 в дополнительной внутренней полости 19 запорного органа 14 дополнительного клапана 3 с обеспечением прохождения образующей осей входного и выходного патрубков 4 и 5 между уплотнительными поясками запорных органов 8 и 14 и уплотнительными седлами 6 и 7 корпуса i снижает гидравлические потери во внутренней полости комбинированного клапана при прохождении потока рабочей среды, улучшая его гидравлические характеристики.