УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С КЛАПАНАМИ, ИМЕЮЩИМИ ДВУХСЕКЦИОННУЮ КЛЕТКУ
SEALING ASSEMBLY TO BE USED WITH VALVES HAVING TWO-SECTION CAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в общем к клапанам, и более конкретно к узлу уплотнения для использования с клапанами, имеющими двухсекционную клетку.
Уровень техники
Клапаны обычно используются в системах управления производственным процессом для управления потоками технологических сред. Линейные клапаны (например, шиберный клапан, шаровой клапан, мембранный клапан, запорный клапан и т.п.) обычно имеют закрывающий элемент (например, затвор клапана), расположенный в проточном канале. Шток клапана оперативно соединяет закрывающий элемент с приводом, который перемещает закрывающий элемент между открытым положением и закрытым положением для освобождения или ограничения потока текучей среды между входом и выходом клапана. Дополнительно, для обеспечения желаемых характеристик и/или достижения необходимых некоторых характеристик потока текучей среды в клапанах часто используют клетку, которая установлена в проточном канале текучей среды между входом и выходом клапана. Клетка может уменьшить расход, снизить шум и/или уменьшить или устранить кавитацию. Дополнительно, клетка окружает закрывающий элемент для обеспечения прочности, балансировки и выравнивания закрывающего элемента.
Для осуществления уплотнения между клеткой и закрывающим элементом закрывающий элемент обычно содержит канал или паз, в который может быть размещено уплотнение или поршневое кольцо, взаимодействующее с внутренней поверхностью клетки. Как правило, условия промышленной эксплуатации, такие как рабочие давления и температуры (например, при использовании перегретого пара) технологических сред, задают тип клапана и его деталей, которые могут быть использованы, такие как, например, типы уплотнений, которые могут использоваться для обеспечения уплотнения между клеткой и закрывающий элементом. При работе в условиях высоких температур гибкие уплотнения клапана (например, полимерное уплотнение) не могут быть использованы из-за их неспособности выдерживать высокие температуры.
При работе в условиях высоких температур (например, больше 450°F (232°С)) может быть использовано поршневое кольцо из углеродного волокна, имеющего высокую жаропрочность. Однако, из-за повышенной хрупкости и недостаточной упругости углеродного волокна поршневое кольцо из этого материала не может быть установлено целиком и должно быть разделено разламыванием на фрагменты перед их установкой в паз закрывающего элемента, что может вызвать нежелательную протечку между закрывающим элементом и клеткой. Дополнительно, перепад давлений текучей среды между входом и выходом клапана используется для прижима уплотнения к уплотняющей поверхности (т.е. к стенкам, сформированным пазом закрывающего элемента) для обеспечения создания уплотнения между клеткой и закрывающий элементом. Однако при низких давлениях давление текучей среды может оказаться недостаточным для надежного прижима уплотнения к уплотняющей поверхности, в результате чего может возникнуть нежелательная протечка через клапан.
Раскрытие изобретения
Предлагаемый узел уплотнения для использования с клапанами, имеющими двухсекционную клетку, описанную здесь, содержит корпус, задающий отверстие, проходящее вдоль оси и выполненное с возможностью размещения закрывающего элемента. Корпус содержит первую часть, соединенную с возможностью разъема с второй частью. Первая часть содержит первый паз, а вторая часть содержит второй паз. Первый и второй пазы формируют поверхность уплотнения при соединении первой и второй частей вместе. Предлагаемый узел уплотнения дополнительно содержит по меньшей мере один уплотняющий элемент, расположенный рядом с поверхностью уплотнения, обеспечивающий уплотнение закрывающего элемента и смещающего элемента, который смещает уплотняющий элемент к поверхности уплотнения.
В другом примере клапан содержит корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, и закрывающий элемент, который оперативно соединен с приводом. Клапан дополнительно содержит клетку, имеющую корпус и поверхность уплотнения, расположенную вдоль корпуса клетки. Клетка имеет первое отверстие для размещения закрывающего элемента и второе отверстие для управления характеристиками потока текучей среды, проходящего через регулирующий клапан. Клапан дополнительно содержит уплотняющий элемент, расположенный рядом с поверхностью уплотнения клетки для обеспечения уплотнения между клеткой и закрывающим элементом, и седлом клапана, которое задает отверстие между впускным отверстием и выпускным отверстием клапан.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А показывает сечение части известного клапана.
Фиг.2А иллюстрирует сечение предлагаемого клапана, подобного показанному на фиг.1А, но выполненному с использованием предлагаемого узла уплотнения клапанного устройства, описанного здесь.
Фиг.2В иллюстрирует увеличенное сечение части узла уплотнения клапанного устройства, показанного на фиг.2А.
Осуществление изобретения
Предлагаемый узел уплотнения, описанный здесь, может быть использован с клапанами, содержащими перемещающийся шток, такими, например, как регулирующие клапаны, дроссельные клапаны и т.п., которые содержат клапанное устройство с двухсекционной клеткой. В предлагаемом описанном здесь узле уплотнения выполнено уплотнение для предотвращения нежелательной протечки, между клеткой и закрывающим элементом клапана. В частности, предлагаемый узел уплотнения содержит по меньшей мере одно уплотнение или поршневое кольцо (например, поршневое кольцо из углеродного волокна), расположенное в поверхности уплотнения двухсекционной клетки. Предлагаемый узел уплотнения в частности предпочтителен при работе в условиях высоких температур текучей среды, для которых требуется уплотнение именно из углеродного волокна, поскольку уплотнение из углеродного волокна может быть использовано без риска разрушения уплотнения, и таким образом может быть уменьшен или по существу устранен брак сборки, который может привести к нежелательной протечке между клеткой и закрывающий элементом. Дополнительно или в другом варианте реализации изобретения предлагаемый узел уплотнения, описанный здесь, содержит элемент смещения (например, волнистую шайбу) для создания усилия, способствующего смещению или прижиму уплотнения к поверхности уплотнения клетки, и таким образом устраняющего зависимость качества уплотнения от перепада давлений технологической среды, способствующего прижиму уплотнения к поверхности уплотнения.
На фиг.1 проиллюстрировано сечение части известного клапана 100. Клапан 100, проиллюстрированный на фиг.1, содержит корпус 102, который задает канал прохода текучей среды между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106. Крышка 108 соединена с корпусом 102 посредством соединительных элементов 110, которые в свою очередь соединяют корпус 102 с приводом (не показан). Крышка 108 может содержать систему прокладок (не показаны) и может содержать соединительные элементы, которые соединены с корпусом 102. Клапанное устройство 112, расположенное в канале для прохода текучей среды, сформированном в корпусе 102, управляет расходом текучей среды между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106. Клапанное устройство 112 содержит внутренние компоненты клапана 100, такие как, например, закрывающий элемент, седло клапана, клетка, шток и палец штока.
Как показано на фиг.1, для управления расходом текучей среды через корпус 102 клетка 114 расположена между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106 для обеспечения заданных характеристик потока текучей среды (например, для уменьшения шума и/или кавитации, генерируемых потоком текучей среды через клапан 100). Клетка может иметь различную конструкцию для обеспечения заданных характеристик потока текучей среды для соответствия конкретным требованиям. Например, клетка 114 может быть выполнена с возможностью обеспечения конкретного необходимого расхода текучей среды в зависимости от характеристик падения давления. Клетка 114 также может облегчить обслуживание, удаление и/или замену других компонентов клапанного устройства 112. В проиллюстрированном примере клетка 114 является по существу цельной конструкцией. Однако в другом предлагаемом варианте выполнения клетка 114 может быть двухсекционной клеткой, которая содержит верхнюю часть, соединенную с нижней частью с возможностью разъема.
Закрывающий элемент 116 (например, затвор) имеет внешнюю поверхность, размер которой обеспечивает точное соответствие внутренней части клетки 114, так что закрывающий элемент 116 обладает возможностью перемещения в клетке 114. Шток 118 оперативно соединяет закрывающий элемент 116 с штоком привода (не показан), который в свою очередь соединяет закрывающий элемент 116 с приводом (не показан). Во время работы привод (например, пневматический привод) перемещает шток 118 и таким образом закрывающий элемент 116 между закрытым положением, в котором закрывающий элемент 116 находится в уплотняющем взаимодействии с седлом 120 клапана (например, кольцом седла) для ограничения протекания потока текучей среды через клапан 100, и полностью открытым положением или положением максимального расхода, в котором закрывающий элемент 116 отдален от седла 120 для обеспечения возможности протекания потока текучей среды через клапан 100.
Закрывающий элемент 116 содержит канал или паз 122 для размещения уплотняющего или поршневого кольца 124, которое взаимодействует с внутренней поверхностью 126 клетки 114 для предотвращения просачивания текучей среды между клеткой 114 и закрывающий элементом 116. При работе в условиях высоких температур уплотняющие или поршневые кольца, выполненные из упругих материалов, не могут быть использованы из-за отсутствия у них необходимой жаропрочности, и таким образом увеличение рабочей температуры может вызвать неустранимую деформацию или повреждение упругого уплотняющего или поршневого кольца, и таким образом создать нежелательную протечку между клеткой 114 и закрывающим элементом 116.
При работе в условиях высоких температур текучей среды может быть использовано уплотнение или поршневое кольцо из углеродного волокна. Однако из-за высокой хрупкости и отсутствия упругости поршневое кольцо из углеродного волокна подлежит разламыванию на фрагменты и размещению в пазу 122 закрывающего элемента 116. Однако при разламывании хрупкого уплотнения неизбежно возникают зазубренные края, которые точно совмещены друг с другом при размещении фрагментов в пазу 122 закрывающего элемента 116. Если зазубренные края не совмещены должным образом, кромки разломов могут расцепиться в условиях высокого давления и могут вызвать нежелательную протечку между закрывающим элементом 114 и внутренней поверхностью 126 клетки 114. Дополнительно, поршневое кольцо из углеродного волокна обычно плотно прижато к поверхности 128 уплотнения закрывающего элемента 116 и внутренней поверхности 126 клетки 114 перепадом давлений текучей среды при перемещении текучей среды от впускного отверстия 104 к выпускному отверстию 106 клапана 100. Однако в условиях низкого давления давление текучей среды может быть недостаточным для плотного прижима уплотнения 124 к поверхности 128 уплотнения, в результате чего может возникнуть нежелательная протечка через клапан 100.
На фиг.2А показано сечение предлагаемого клапана 200, подобного показанному на фиг.1, но осуществленного с использованием предлагаемого узла 202 уплотнения, описанного здесь. На фиг.2 В показано увеличенное сечение части предлагаемого узла 202, показанного на фиг.2А. Компоненты клапана 200, подобные или идентичные использованным в предлагаемом клапане 100, который показан на фиг.1, обозначены теми же позиционными номерами. Описание компонентов предлагаемого клапана, показанного на фиг.2А, подобных или идентичных компонентам, показанным на фиг.1, не будет повторено, и интересующиеся читатели могут обратиться к описанию, относящемуся к фиг.1, за подробностями, касающимися этих компонентов.
Как показано на фиг.2А и 2В, предлагаемый клапан 200 содержит предлагаемый узел 202 уплотнения, описанный здесь. Клапан 200 содержит клапанное устройство 204, расположенное в канале, сформированном корпусом 102. Клапанное устройство 204 содержит корпус или клетку 206, содержащую предлагаемый узел 202 уплотнения клапана, закрывающий элемент 208, шток 210 клапана и седло клапана в форме кольца 212 седла. Предлагаемый узел 202 уплотнения формирует уплотнение между внутренней поверхностью 214 клетки 206 и закрывающим элементом 208.
Клетка 206 содержит первую или верхнюю часть 216, которая соединена с возможностью разъема с второй или нижней частью 218. Верхняя часть 216 и нижняя часть 218, соединенные вместе, формируют отверстие 220, расположенное вдоль оси 222, для размещения закрывающего элемента 208 с возможностью перемещения. Клетка 206 направляет закрывающий элемент 208 и обеспечивает поперечную прочность при перемещении закрывающего элемента 208 между открытым и закрытым положениями и таким образом уменьшает вибрации и другие механические напряжения.
Верхняя часть 216 может быть выполнена из первого материала (например, легированной стали), а нижняя часть 218 может быть выполнена из второго материала (например, нержавеющей стали), отличающегося от первого материала. Это в частности может быть предпочтительно при тяжелых условиях эксплуатации (например, для работы при высокой температуре, в коррозионной среде), в которых может потребоваться использование более дорогих упругих материалов (например, коррозионностойких и т.п.), и таким образом могут быть снижены производственные затраты при изготовлении верхней части, которая может не входить в контакт с текучей средой, из более дешевого материала. Дополнительно или в другом варианте реализации изобретения верхняя часть 216 может представлять собой твердый непроницаемый цилиндр или конструкцию, а нижняя часть 218 может представлять собой проницаемый цилиндр или конструкцию, имеющую по меньшей мере одно отверстие или рабочее окно 224. Рабочее окно 224 может быть выполнено с возможностью обеспечения желательных характеристик потока текучей среды, например, уменьшения шума и/или кавитации, увеличения перепада давления технологической среды и т.п. Желательные характеристики потока текучей среды могут быть достигнуты изменением формы рабочего окна 224. В некоторых предлагаемых вариантах выполнения нижняя часть 218 клетки 206 может содержать отверстия, имеющие различные формы, размеры и/или расстояния между ними для управления расходом, уменьшения кавитации и/или снижения шума в клапане.
Верхняя часть 216 клетки 206 имеет первый конец 226, который взаимодействует с крышкой 108, и второй конец 228, который взаимодействует с нижней частью 218 клетки 206. Первый конец 226 верхней части 216 может иметь край 230, в котором выполнена выточка для выравнивания должным образом клетки 206 с корпусом 102. Схожим образом, нижняя часть 218 содержит третий конец 232, который взаимодействует с верхней частью 216, и четвертый конец 234, который взаимодействует с кольцом 212 седла. Как показано на фиг.2В, второй конец 228 верхней части 216 может содержать первый паз или канал 236, и третий конец 232 нижней части 218 может содержать ступенчатую стенку 238, сформированную вторым пазом или каналом 240, так что при соединении верхней и нижней частей 216 и 218 вместе первый паз или канал 236 и второй паз или канал 240 формируют поверхность 242 уплотнения для размещения узла 202. Узел 202 расположен рядом с поверхностью 242 для обеспечения уплотнения закрывающего элемента 208.
Второй конец 228 верхней части 216 и/или третий конец 232 нижней части 218 могут содержать по меньшей мере один заплечик для облегчения точного совмещения верхней и нижней частей 216 и 218 клетки 206 и/или могут иметь размер, форму или конфигурацию, которые обеспечивают посадку с натягом или прессовую посадку между заплечиками. В проиллюстрированном примере верхняя часть 216 содержит третий паз или канал 244 для формирования заплечика или стенки 246 между первым пазом или каналом 236 и третьим пазом или каналом 244. Заплечик 246 взаимодействует со ступенчатой стенкой 238 нижней части 218 для облегчения совмещения и разъемного соединения верхней и нижней частей 216 и 218 клетки 206. В соединенном положении заплечик 246 взаимодействует со вторым пазом 240 нижней части 218, так что второй паз 240 нижней части 216, первый паз 236 верхней части 216 и заплечик-246 формируют поверхность 242 уплотнения клетки 206. Дополнительно или в другом варианте реализации изобретения третий паз 244 верхней части 216 может быть выполнен с возможностью размещения прокладки 248 для обеспечения уплотнения между верхней и нижней частями 216 и 218 клетки 206. В другом предлагаемом варианте выполнения третий конец 232 нижней части 218 может содержать другой паз или канал для формирования заплечика между первым и третьим пазами. Еще в одном другом предлагаемом варианте выполнения верхняя и нижняя части 216 и 218 клетки 206 могут быть соединены посредством сальниковых соединительных элементов или любых других подходящих крепежных механизмов.
Поверхность 242 уплотнения, сформированная первым пазом 236 и вторым пазом 240 верхней и нижней частей 216 и 218 соответственно и заплечиком 246, может иметь размер, подходящий для размещения по меньшей мере одного из следующего: уплотнение или поршневое кольцо 250. В проиллюстрированном примере уплотняющее кольцо 250 расположено рядом с поверхностью 242 уплотнения клетки 206 для обеспечения уплотнения между клеткой 206 и закрывающим элементом 208. Поверхность 242 уплотнения может иметь размер, подходящий для размещения первого уплотнения 250 и второго уплотнения 252. Как показано на чертеже, первое и второе уплотнения 250 и 252 представляют собой кольца из углеродного волокна. В другом предлагаемом варианте выполнения первое и второе уплотнения 250 и 252 представляют собой упругие уплотнения, поршневые кольца из углеродного волокна, комбинацию этого или любое другое уплотнение, выполненное из любого другого подходящего материала (материалов), подходящих для формирования уплотнения между внутренней поверхностью 214 клетки 206 и закрывающим элементом 208. Кроме того, уплотнение или поршневые кольца 250 и/или 252 могут быть установлены неповрежденными без разлома их на фрагменты для установки вокруг поверхности 242 уплотнения.
Узел 202, описанный здесь, также может содержать смещающий элемент 254, который может быть расположен рядом с поверхностью 242 уплотнения для обеспечения нагрузки, способствующей прижиму или смещению уплотнений 250 и 252 к поверхности 242 уплотнения. Смещающий элемент 254 может быть волнистой шайбой, пружиной или любым другим подходящим смещающим элементом или механизмом (механизмами). Смещающий элемент 254 устраняет влияние перепада давлений текучей среды между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106 на качество прижима уплотнений 250 и 252 к поверхности 242 уплотнения и обеспечивает эффективную уплотнение между клеткой 206 и закрывающим элементом 208. В другом предлагаемом варианте выполнения смещающий элемент 254 может быть расположен между первым концом 226 верхней части 216 клетки 206 и крышкой 108 или в любом другом подходящем положении для смещения уплотнений 250 и 252 к поверхности 242 уплотнения.
Закрывающий элемент 208 имеет внешнюю поверхность 256, имеющую размер, обеспечивающий точное совмещение с внутренней частью клетки 206, так что закрывающий элемент 208 может перемещаться в канале 220 клетки 206. Закрывающий элемент 208 может перемещаться в клетке 206 между закрытым положением, в котором закрывающий элемент 208 закрывает рабочее окно 224 клетки 206, и открытым положением, в котором закрывающий элемент 208 освобождает по меньшей мере часть рабочего окна 224. Закрывающий элемент 208 также может быть расположен между полностью открытым и полностью закрытым положениями для управления потоком текучей среды через клапан 200. В проиллюстрированном примере закрывающий элемент 208 изображен в форме затвора клапана, имеющего цилиндрический корпус и опорную поверхность 258. Однако в другом предлагаемом варианте выполнения закрывающий элемент 208 может быть выполнен в форме диска или любой другой конструкции, пригодной для изменения потока текучей среды, проходящего через клапан. Шток 210 клапана оперативно соединяет закрывающий элемент 208 с приводом (не показан).
При присоединении крышки 108 к корпусу 102 крышка 108 действует на смещающий элемент 254, который в свою очередь прижимает уплотняющие элементы 250 и 252 к поверхности 242 уплотнения клетки 206. Дополнительно, крышка 108 прижимает клетку 206 к кольцу 212 седла для удержания кольца 212 в корпусе 102 и сжимает прокладку (не показана), размещенную между кольцом 212 и корпусом 102. Кроме того, крышка 108 сжимает прокладку 248, размещенную между первой частью 216 и второй частью 218 клетки 206. В некоторых предлагаемых вариантах выполнения клапан 200 может содержать прокладку (не показана), которую крышка 108 сжимает между крышкой 108, клеткой 206 и корпусом 102 для сохранения протекания текучей среды в корпусе 102 и предотвращения нежелательной протечки.
Во время работы, привод (например пневматический привод) перемещает закрывающий элемент 208 между закрытым положением, в котором опорная поверхность 258 закрывающего элемента 208 находится в уплотняющем взаимодействии с кольцом 212 (т.е. ограничивает поток текучей среды через клапан), и полностью открытым положении или положении максимального потока, в котором опорная поверхность 258 закрывающего элемента 208 максимально удалена от кольца 212 (т.е. обеспечивает полный поток текучей среды через клапан). Кольцо 212 соединено с клеткой 206 посредством например неподвижной и/или прессовой посадки, сальниковой посадки, соединительных элементов и т.п.При удалении закрывающего элемента 208 от кольца 212 седла, текучая среда (например, пар высокой температуры) проходит между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106. При протекании потоков текучей среды между впускным отверстием 104 и выпускным отверстием 106 текучая среда протекает между закрывающим элементом 208 и внутренней поверхностью 214 клетки 206. Узел 202, описанный здесь, препятствует просачиванию текучей среды между клеткой 206 и закрывающим элементом 208 при протекании текучей среды через клапан 200. Смещающий элемент 254 прикладывает нагрузку к уплотнениям 250 и 252 для смещения уплотнений 250 и 252 к поверхности 242 уплотнения клетки 206 и таким образом создает соответствующую уплотнение и предотвращает нежелательную протечку текучей среды между клеткой 206 и закрывающим элементом 208.
Предлагаемый узел 202, описанный здесь, создает уплотнение между клеткой и закрывающим элементом клапана (например клапана 200, показанного на фиг.2А). Клетка содержит верхнюю часть и нижнюю часть, которые соединены вместе для формирования поверхности уплотнения, принимающей по меньшей мере одно уплотнение или поршневое кольцо. Предлагаемый узел 202, описанный здесь, в частности предпочтителен для работы в условиях высоких температур. Как правило, при работе в условиях высоких температур используются поршневые кольца из углеродного волокна, выдерживающие действие высокотемпературной технологической среды и обеспечивающие уплотнение между клеткой и закрывающим элементом. В частности, в предлагаемый узел 202, описанный здесь, может быть установлен уплотняющий элемент в цельном виде (т.е. без необходимости его разлома на фрагменты) и расположен рядом с поверхностью уплотнения. Дополнительно или в другом варианте реализации изобретения предлагаемый узел 202, описанный здесь, может содержать смещающий элемент (например волнистую шайбу) для прижима или смещения уплотнения к поверхности уплотнения клетки, что в результате по существу устраняет влияние разности давлений технологической среды на качество прижима уплотнения к поверхности уплотнения.
Хотя выше было описано конкретное устройство, объем юридической защиты этого патента не ограничивается этим устройством. Наоборот, настоящий патент охватывает все устройства, фактически находящиеся в пределах объема приложенной формулы буквально или согласно доктрине эквивалентов.