ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ ШАРОВОЙ КРАН

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры, а именно к конструкции запорно-регулирующих устройств, используемых в технологических трубопроводах и трубопроводах инженерных коммуникаций.
Шаровые краны как вид запорной трубопроводной арматуры получили широкое распространение благодаря таким преимуществам как минимальные габариты, полнопроходность (отсутствие деформации потока) и, как следствие, малое гидравлическое сопротивление, высокая степень герметичности затвора вследствие его самозапираемости под действием давления в трубопроводе. Однако для регулирования расхода рабочей среды шаровые краны используются редко. Это объясняется тем, что при неполном открытии крана происходит турбулизация потока, возникает кавитация и порождаемый ею сильный шум. Расходная характеристика крана при таком применении сугубо нелинейная и неустойчива, а уплотнения подвергаются в этих условиях эрозии и быстро выходят из строя.
Другой крупный недостаток регулирующих шаровых кранов, связан с хладотекучестью фторопласта, из которого обычно изготавливаются седла крана, и его недостаточной стойкостью к абразивному износу. При частичном открытии крана в течение некоторого отрезка времени его седла контактируют со сферической пробкой не по всей своей рабочей сферической поверхности. Под действием давления потока пробка вдавливается в седло, на котором с течением времени образуется кольцевая «ступенька». При дальнейшем повороте сферической пробки эта «ступенька» сминается или срезается кромкой пробки, что приводит к постепенному искажению формы рабочей поверхности седел и потере герметичности затвора. Кроме того, при частичном открытии крана его седла находятся под воздействием рабочей среды, в которой неизбежно содержатся твердые частицы. Происходит абразивный износ седел, уменьшающий срок службы крана. По указанным причинам ряд фирм запрещает использование своих запорных шаровых кранов в качестве регулирующих.
Для повышения долговечности седел их изготавливают не из «чистого» фторопласта, а из углеродно-фторопластовых композиций или из металлических сплавов, стойких к абразивному износу. Однако достигнуть и сохранить требуемую герметичность затвора с металлическими седлами гораздо сложнее, чем с фторопластовыми, а добавки к фторопласту углерода, дисульфита молибдена и других материалов увеличивают износостойкость и модуль упругости, снижают хладотекучесть и коэффициент теплового расширения, но не решают кардинальным образом проблему его хладотекучести и недостаточной износостойкости.
Проблемы с седлами запорно-регулирующих шаровых кранов вынуждают в ряде случаев отказаться от использования седел и сделать шаровой кран только регулирующим. Такие краны созданы на заводе «Самараволгомаш» (). Сферическая пробка установлена на цапфах. Зазор между сферической поверхностью пробки и внутренней сферической поверхностью корпуса крана минимален. При повороте сферической пробки поток деформируется и частично перекрывается, расход рабочей среды уменьшается. Наличие утечек через зазор между сферической пробкой и корпусом позволяет уменьшить турбулизацию потока и снизить шум.
Совмещение функций полного перекрытия потока и его регулирования в шаровых кранах с единственным затвором не нашло пока удовлетворительного конструктивного решения.
Совмещение функций регулирования и перекрывания потока может быть достигнуто введением в конструкцию шарового крана дополнительного затвора, выполняющего функции регулирования потока. Такое решение реализовано в балансировочных кранах фирм Broen (, каталог балансировочные клапаны BROEN BALLOREX, стр.3) и Danfoss (rus._sec69.html, каталог RC.08.A8.50 © Danfoss 2008, стр.31). Перекрытие потока осуществляется шаровым затвором. В шпиндель сферической пробки затвора вмонтирован винтовой механизм, перемещающий шибер. Шибер частично перекрывает цилиндрическое отверстие в сферической пробке. Поворотом рукоятки крана можно повернуть сферическую пробку на 90°, полностью перекрыв поток, не меняя регулировки крана (положения шибера). Недостатком такой конструкции является консольное закрепление регулирующего шибера. При использовании такого крана в качестве регулирующего в процессе непрерывной работы не исключены вибрации шибера и его заклинивание. Кроме того, наличие шибера, частично перекрывающего поток, увеличивает гидравлическое сопротивление крана.
Прототипом заявляемого решения является комбинированный запорно-регулирующий кран (авторское свидетельство на изобретение SU 1596162, МПК F16K 5/10, 30.09.199, Бюл. №36). Кран содержит корпус, в котором на опорных цапфах, одной из которых служит «приводная ось» (шпиндель), установлена шаровая запорная пробка, внутри которой размещен регулирующий орган с приводным шпинделем. Пробка выполнена со сферической внутренней поверхностью, а регулирующий орган выполнен в виде шара с проходным отверстием, равным проходному отверстию в пробке, и установлен с зазором относительно сферической внутренней поверхности пробки.
Одним из недостатков данной конструктивной схемы запорно-регулирующего шарового крана является способ базирования запорной сферической пробки в корпусе крана. Пробка устанавливается на две цапфы, одной из которых является шпиндель («приводная ось»). Шпиндель жестко соединен с пробкой и одновременно служит для поворота пробки на 90°. Такая «цапфовая» схема в основном используется при высоких давлениях рабочей среды, поскольку обеспечивает разгрузку седел крана от сил давления рабочей среды. Эти силы воспринимаются опорами цапф. Однако такая конструктивная схема нетехнологична, поскольку для обеспечения требуемой герметичности и долговечности затвора требуется с высокой точностью обеспечить такое взаимное расположение поверхностей, при котором общая ось цапф пробки пересекалась бы с общей осью седел в центре наружной сферической поверхности пробки. Кроме этого, неподвижно закрепленные седла не обеспечивают компенсацию износа своих уплотнительных элементов, а также упругих и температурных деформаций деталей крана, что приводит к потере герметичности его затвора.
В ответственных конструкциях седла устанавливаются в корпус крана с возможностью смещения вдоль своей оси и прижимаются к пробке силами давления рабочей среды и упругими седлами пружин (чаще всего тарельчатых). Однако при подвижных седлах установка сферической пробки на цапфы теряет смысл, поскольку седла не разгружены от сил давления среды, протекающей через кран.
Техническая задача заявляемой полезной модели направлена на повышение технологичности конструкции запорно-регулирующего крана, степени его герметичности и ресурса (долговечности) и достигается за счет установки запорной сферической пробки не на цапфы, а непосредственно между двух подпружиненных седел.
Поставленная задача достигается тем, что в запорно-регулирующем шаровом кране, содержащем корпус, запирающий шаровый затвор, в сферическую пробку которого встроен поворотный регулирующий элемент в виде шара с проходным отверстием, равным проходному отверстию в сферической пробке, согласно полезной модели сферическая пробка запирающего шарового затвора выполнена плавающей и центрируется в корпусе крана с помощью двух подпружиненных седел.
Сферическая запирающая пробка самоустанавливается между седлами в такое положение, при котором центр ее наружной сферической поверхности располагается на общей оси рабочих поверхностей седел. При этом шпиндель «плавающей» сферической запирающей пробки не препятствует ее самоустановке между седлами, т.к. соединен с пробкой с зазором.
Компенсация износа седел, температурных и упругих деформаций деталей крана, нарушающих плотность прилегания седел к «плавающей» пробке, достигается за счет постоянного поджима седел с помощью пружин.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведен общий вид крана.
Запорно-регулирующий шаровой кран содержит корпус 1 с присоединительными фланцами 2, шаровой затвор, включающий в себя запирающую сферическую пробку 3 (далее - запирающая пробка 3) и два седла 4. Каждое седло 4 установлено на опоре седла 5 и поджимается к запирающей пробке 3 тарельчатой пружиной 6. Внутри запирающей пробки 3 встроен поворотный регулирующий элемент в виде шара с проходным отверстием - регулирующая внутренняя сферическая пробка 7 (далее -регулирующая пробка 7). Для поворота каждой из двух пробок имеется свой шпиндель, при этом шпиндель 8 регулирующей пробки 7 проходит сквозь шпиндель 9 запирающей пробки 3. Запирающая пробка 3 выполнена плавающей, т.е. базируется по своей наружной сферической поверхности в двух седлах 4. Регулирующая пробка 7 установлена на двух цапфах, в качестве одной из цапф служит ее шпиндель 8, в качестве второй -разжимная втулка 10.
Диаметры проходных отверстий в запирающей и регулирующей пробках одинаковы, что обеспечивает полнопроходность крана.
Запорно-регулирующий шаровой кран работает следующим образом.
Исходным угловым положением пробок крана считаем такое, при котором оси отверстий в пробках совпадают с осью отверстия в седлах крана, при этом расход рабочей среды через кран максимален. При повороте регулирующей пробки и неподвижной запирающей расход уменьшается и достигает минимума при угле поворота 90°. Величина минимального расхода определяется величиной зазора между пробками.
При необходимости полного перекрытия потока шпиндель запирающей пробки необходимо повернуть на 90°.
Шпиндели запирающей и регулирующей пробок могут поворачиваться независимо друг от друга или быть кинематически связаны и поворачиваться от одной рукоятки или одного привода.
Краны могут использоваться в системах теплоснабжения промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяйства, системах водоснабжения, системах охлаждения и кондиционирования, технологических и инженерных сетях предприятий и магистральных трубопроводах, а также в составе транспортных средств (пожарные машины, топливозаправщики и тому подобное).