ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ОДНОКРАТНОГО ДЕЙСТВИЯ
SAFETY VALVE OF SINGLE ACTION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в военной технике.
Предохранительный клапан однократного действия предназначен для автоматического выпуска газообразной или жидкой рабочей среды из системы высокого давления при чрезмерном повышении давления в ней в атмосферу и обеспечения безопасной эксплуатации установок и предотвращения аварий.
Известен предохранительный клапан однократного действия (патент RU 2105916 от 1998.02.27, МПК F16K 17/40), в котором проходное отверстие корпуса перекрыто поршнем. На поршне имеются опорные элементы, выполненные в виде стержней. Стержни расположены вдоль оси проходного отверстия корпуса и имеют на конце скошенный выступ, упирающийся в выступ корпуса. При достижении заданного избыточного давления опорные элементы теряют несущую способность, и поршень раскрывает проходное отверстие в корпусе. Недостатком указанного предохранительного клапана является недостаточная точность давления срабатывания из-за нестабильности модуля упругости E материала, наличия допусков на большое количество размеров стержней и нестабильности коэффициента трения стержней по корпусу.
Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату к предложенному предохранительному клапану однократного действия является предохранительный клапан, в котором проходное отверстие в корпусе перекрыто отрывным колпачком (Кондратьева Т.Ф. Предохранительные клапаны, Л.: Машиностроение, 1976, с.25, 170 - прототип).
в
Недостатком указанного предохранительного клапана является недостаточная точность давления срабатывания из-за нестабильности временного сопротивления σ материала колпачка.
Ориентировочно среднее отрывное (разрушающее) давление колпачка определяется по формуле
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>σ</mi><mi>в</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н
где d, d - соответственно наружный и внутренний диаметр колпачка;
в
σ - временное сопротивление материала колпачка (см. там же, с.171).
Целью изобретения является создание предохранительного клапана однократного действия со стабильным давлением срабатывания.
Поставленная цель достигается тем, что в предохранительном клапане, содержащем корпус с установленным в нем отрывным элементом, согласно изобретению отрывной элемент выполнен в виде штока с шейкой в средней части на нем и риской - концентратором напряжения на шейке, диаметр которой рассчитан по фактическому временному сопротивлению материала штока, и с наружной резьбой на его концах, при этом одним резьбовым концом шток ввинчен в диск с расходными отверстиями, закрепленный в корпусе ввертным штуцером входа, другим резьбовым концом шток ввинчен в резьбовое отверстие уплотненного в корпусе поршня, а в стенке корпуса выполнены радиальные отверстия, герметично отделенные от ввертного штуцера входа уплотнением поршня. Поршень имеет цилиндрический хвостовик, расположенный на торце, противоположном торцу с резьбовым отверстием, при этом концевая часть хвостовика установлена в отверстие корпуса, а торец хвостовика утопает относительно торца корпуса на расстояние, меньшее, чем ход поршня при срабатывании клапана.
Конструкция предохранительного клапана однократного действия (далее по тексту - клапана) показана на фиг.1 и 2, где:
1 - корпус;
2 - диск;
3 - поршень;
4 - шток;
5 - расходное отверстие;
6 - ввертной штуцер входа;
7 - шейка;
8 - риска;
9 - резиновое кольцо;
10 - защитная фторопластовая шайба;
11 - радиальное отверстие;
12 - цилиндрический хвостовик;
13 - отверстие;
14 - торец цилиндрического хвостовика 12;
15 - торец поршня 3;
16 - торец корпуса 1.
На фиг.1 показан клапан в исходном положении, на фиг.2 - в положении после срабатывания.
Клапан содержит корпус 1, в котором установлены диск 2, поршень 3 и шток 4. Диск 2, имеющий расходные отверстия 5, закреплен в корпусе 1 ввертным штуцером входа 6.
В средней части штока 4 выполнена шейка 7 с нанесенной на ней риской 8, являющейся концентратором напряжения. На концах штока 4 выполнена наружная резьба. Одним резьбовым концом шток 4 ввернут в диск 2, другим - в поршень 3, уплотненный в корпусе 1, например, резиновым кольцом 9 с защитной фторопластовой шайбой 10. В стенке корпуса 1 имеются радиальные отверстия 11, которые могут располагаться в несколько рядов. Суммарная площадь радиальных отверстий должна быть не менее номинального диаметра отверстия в ввертном штуцере входа 6. Поршень 3 имеет цилиндрический хвостовик 12, установленный в отверстие 13 корпуса 1. В исходном положении торец 14 цилиндрического хвостовика 12 утопает в отверстии 13 корпуса 1.
Предлагаемый клапан функционирует следующим образом.
При давлении рабочей среды ниже давления срабатывания клапан закрыт. Поршень 3 и шток 4 находятся в положении, показанном на фиг.1. В этом положении на поршень 3 действует усилие
п
п
ш.шт
F=(S-S)·P, (2)
п
где F - усилие, действующее на поршень,
п
S - площадь поперечного сечения поршня 3;
ш.шт
S - площадь поперечного сечения по шейке 7 штока 4;
P - давление рабочей среды.
Поршень 3 удерживается от перемещения штоком 4. При повышении давления рабочей среды до давления срабатывания на поршень 3 действует усилие, превышающее прочность штока 4 по его шейке 7, и шток 4 разрывается по шейке 7. Не удерживаемый штоком 4 поршень 3 с частью разорванного штока 4 перемещается до посадки своим торцом 15 на торец 16 корпуса 1. Положение деталей клапана после его срабатывания показано на фиг.2. В этом положении входная полость ввертного штуцера входа 6 сообщается с окружающей средой через расходные отверстия 5 диска 2 и радиальные отверстия 11 корпуса 1, и рабочая среда выпускается в окружающую среду. При этом торец 14 цилиндрического хвостовика 12 выдвигается из корпуса 1, сигнализируя этим о срабатывании клапана.
Стабильность давления срабатывания предложенного клапана обеспечивается стабильностью усилия на разрыв по шейке 7 штока 4, которое в свою очередь обеспечивается изготовлением штоков 4 с расчетным диаметром шейки 7 с учетом фактического временного сопротивления материала штока 4, определенного на образцах, в средней части которых выполнена, так же, как и на штоке 4, шейка 7 с риской 8 - концентратором напряжения.