КЛАПАН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ
SAFETY VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, предназначено для использования в качестве предохранительного клапана периодического действия, допускающего многократные срабатывания, и может быть использовано в атомной энергетике, химической промышленности, энергетическом комплексе.
Известны предохранительные клапаны, в состав которых входят корпус с входным и выходным патрубками, золотник, сильфонное уплотнение и пружинный механизм создания нагрузки (см., например, Кашанский М.С., Степанов В.В., Гольдфайн В.Н. и др. Судовая арматура. – Л.: Судостроение, 1975, рис. 202, с. 300; Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В. и др. Арматура ядерных энергетических установок. - М.: Атомиздат, 1978, рис. 5.3, с. 117).
В указанных клапанах подача среды производится в направлении «на золотник», а в качестве чувствительного элемента используется подпружиненный сильфон.
При увеличенной эффективной площади сильфона данные клапаны работают как полнопроходные.
Характер истечения рабочей среды в таких конструкциях на начальной фазе открытия - дросселирование среды через образовавшийся зазор. На второй фазе открытия происходит более резкий подъем золотника, увеличивающий расход среды через клапан.
Недостатком указанных клапанов является недостаточная герметичность в затворе, особенно после срабатывания клапана. Появляющаяся протечка через затвор, в свою очередь, приводит к эрозии уплотнительных поверхностей и дальнейшему росту негерметичности в затворе.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции клапана является предохранительный клапан (см. авт. св. SU №1489276 A1, F16К 17/14, 1987), который состоит из корпуса с входным и выходным патрубками, сильфона, передающего усилие предохраняемой среды на уплотнительный элемент, выполненный в виде разрывного стержня с головкой, подвижной опоры в виде нагруженной пружиной кольцевого сепаратора, в котором заключены подвижные в радиальном направлении цилиндрические фиксаторы с наклонными торцами, контактирующими с внешней стороны с расточкой корпуса, а с внутренней стороны - с подвижным элементом. Данный клапан обеспечивает полную герметичность по уплотнительному элементу до срабатывания и высокую точность срабатывания за счет фиксирующего механизма.
По наибольшему числу общих признаков и решаемой задачи клапан по авторскому свидетельству №1489276 выбираем для прототипа.
Недостатком данного клапана является то, что работоспособность клапана восстанавливается только после замены уплотнительного элемента на новый, поэтому эта конструкция относится к устройствам одноразового действия.
Технической задачей предполагаемого технического решения является создание предохранительного клапана, обеспечивающего герметичность по узлу уплотнения после многократных срабатываний.
Решение поставленной технической задачи позволит расширить функциональные возможности предохранительного клапана.
Поставленная задача решается за счет того, что фиксирующий механизм снабжен дополнительной пружиной, размещенной во внутренней полости подвижного элемента, выполненного в виде стакана, взаимодействующего с цилиндрическими фиксаторами, и опоры со штоком, снабженным головкой и связанным с узлом уплотнения, состоящим из золотника, имеющего внутреннюю проточку, и уплотнительного седла на выходном патрубке, причем головка штока размещена в проточке золотника и установлена относительно верхнего торца проточки с осевым зазором, величина которого превышает рабочий ход фиксирующего механизма.
Поверхность головки штока, контактирующая с нижним торцом проточки золотника, выполнена сферической, а над головкой установлена пружина, имеющая рабочий ход больше осевого зазора.
Нижний конец стакана подвижного элемента снабжен направляющей обечайкой, взаимодействующей с опорой, связанной с сильфоном.
Дополнительная пружина снабжена узлом настройки усилия пружины.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид клапана предохранительного.
На фиг. 2 представлена диаграмма работы клапана.
Клапан предохранительный состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. Во внутренней полости корпуса 1 размещены сильфон 4, узел уплотнения, включающий в себя золотник 5, взаимодействующий с уплотнительным седлом 6 выходного патрубка 3, фиксирующий механизм, состоящий из сепаратора 7 с цилиндрическими фиксаторами 8, основной пружины 9 и дополнительной пружины 10, взаимодействующей с подвижным элементом 11 и размещенной в его внутренней полости. Усилие сжатия дополнительной пружины 10 обеспечивается узлом настройки усилия сжатия пружины. Подвижный элемент 11 выполнен в виде стакана 12, взаимодействующего верхним концом с цилиндрическими фиксаторами 8, а нижним концом за счет направляющей обечайки 13 с опорой 14 и штоком 15, снабженным головкой 16.
Герметичность внутренней полости относительно внешней среды обеспечена сильфоном 4, который с одного торца соединен с опорой 14, а с другого торца с корпусом 1, и одновременно предназначен для передачи усилия от давления рабочей среды через стакан 12 на фиксирующий механизм, а через шток 15 на золотник 5.
Головка 16 штока 15 расположена в проточке 17, выполненной в золотнике 5, и установлена относительно верхнего торца проточки 17 с осевым зазором 18, величина которого превышает рабочий ход 19 фиксирующего механизма. Поверхность головки 16, контактирующая с нижнем торцом проточки 17, выполнена сферической для обеспечения самоустановки золотника 5 относительно уплотнительного седла 6 выходного патрубка 3.
Над головкой 16 установлена пружина 20, предназначенная для поджатия золотника 5 к штоку 15 после срабатывания клапана и имеющая рабочий ход больше осевого зазора 18.
Узел настройки усилия сжатия дополнительной пружины 10 состоит из опорной втулки 21, винта 22 и фланца 23.
Работа клапана осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии золотник 5 находится в положении «закрыто» и прижат к уплотнительному седлу 6 с необходимым расчетным усилием. Усилие для узла уплотнения создается суммарным усилием двух пружин: основной 9 и дополнительной 10, а также давлением рабочей среды на золотник 5.
Фиксирующий механизм находится в нижнем рабочем положении: цилиндрические фиксаторы 8 под действием усилия, создаваемого пружиной 9 и передаваемого через сепаратор 7, прижаты к стакану 12.
Дополнительная пружина 10 создает дополнительное усилие, которое позволяет увеличить нагрузку на золотник 5 в положении "закрыто", тем самым способствуя повышению герметичности узла уплотнения.
При рабочем давлении среды в предохраняемой системе усилие от действия давления среды на эффективную площадь сильфона 4 не превышает совместного усилия предварительного поджатия основной 9 и дополнительной 10 пружин, а также усилия от давления среды на золотник 5.
Клапан при этом герметичен по узлу уплотнения: уплотнительный поясок золотника 5 - уплотнительное седло 6 выходного патрубка 3.
При повышении давления среды в предохраняемой системе в полости над золотником 5 усилие от действия давления среды на эффективную площадь сильфона 4 начинает превышать значение суммарного усилия предварительного поджатия основной 9 и дополнительной 10 пружин.
При этом шток 15 вместе с опорой 14 и сильфоном 4 начинает перемещаться относительно остающегося неподвижным золотника 5.
При достижении предохраняемой средой давления срабатывания клапана происходит перемещение сепаратора 7 совместно с цилиндрическими фиксаторами 8.
Под действием усилия, передаваемого стаканом 12, фиксаторы 8 переместятся в радиальном направлении.
После радиального перемещения фиксаторов 8 стакан 12 освобождается от усилия, создаваемого основной пружиной 9. Усилие, развиваемое сильфоном 4, полностью передается на опору 14 и стакан 12 перемещается, сжимая внутреннюю пружину 10.
При этом шток 15 перемещается вверх и поднимает золотник 5 над седлом 6 выходного патрубка 3 на величину хода клапана, пропуская через открытое проходное сечение рабочую среду предохраняемой системы.
При снижении давления в предохраняемой системе до давления обратной посадки Роп происходит перемещение золотника 5 в сторону закрытия за счет перемещения стакана 12, фиксаторы 8 освобождаются, а усилие от основной 9 и дополнительной 10 пружин через шток 15 передается на золотник 5, который перемещается до упора в уплотнительное седло 6 выходного патрубка 3, закрывая проходное сечение клапана.
Пропуск предохраняемой среды через узел уплотнения клапана прекращается.
Работа предлагаемого предохранительного клапана поясняется принципиальной диаграммой, представленной на фиг. 2.
На диаграмме приняты следующие обозначения:
Р - давление среды;
h - ход штока клапана;
Рр - давление рабочее;
Рпо - давление полного открытия;
Роп - давление обратной посадки;
hоткр - ход штока на открытие клапана;
hф - ход штока после открытия клапана до фиксации.
Точка 1 на диаграмме соответствует началу страгивания штока 15 в направлении на открытие клапана и началу сжатия основной 9 и дополнительной 10 пружин при росте давления в системе до давления открытия.
Участок 1-2 соответствует подъему давления среды до момента расфиксации стакана 12 и ходу штока 15 в пределах его холостого хода (при неподвижном золотнике 5 и сохранении герметичности в узле уплотнения).
Точка 2 соответствует моменту расфиксации штока, снятия усилия основной 9 пружины после сжатия обеих пружин 9 и 10 в пределах холостого хода штока 15 (при неподвижном золотнике 5 и сохранении герметичности в узле уплотнения) и началу резкого подъема золотника 5.
Участок 2-3 соответствует полному ходу штока 15 и открытию проходного сечения клапана.
Участок 3-4 соответствует снижению давления среды перед клапаном до давления, при котором происходит фиксация штока 15 под действием дополнительной 10 пружины и резкое нагружение штока 15 усилием основной 9 пружины.
Участок 4-5 соответствует быстрому закрытию клапана с обеспечением герметичности по узлу уплотнения.
Участок 5-1 соответствует повышению давления среды в пределах до рабочего давления в системе после срабатывания клапана.
Предлагаемая конструкция предохранительного клапана позволяет обеспечить высокую степень герметичности затвора при рабочем давлении среды за счет совместного создания нагрузки на него от основной и дополнительной пружин, срабатывание клапана при давлении среды, равном давлению полного открытия с расфиксацией фиксирующего механизма и возврат затвора в исходное положение "закрыто" после снижения давления рабочей среды в предохраняемой системе до давления обратной посадки с восстановлением требуемой степени герметичности узла уплотнения.
Таким образом изобретение позволяет расширить эксплуатационные возможности предохранительного клапана и повысить надежность работы при эксплуатации за счет обеспечения герметичности узла уплотнения после многократных срабатываний.