ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
PIPELINE FITTING

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к трубопроводной арматуре, которая может быть использована на трубопроводах различных объектов для управления параметрами рабочих сред, проходящих в проточных каналах трубопроводной арматуры.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является трубопроводная арматура, содержащая корпус, в котором выполнен осевой проточный канал с сужающимся входным и расширяющимся выходным участками, между которыми установлено, по крайней мере, одно седло с отверстием, площадь проходного сечения которого равна минимальной площади проходного сечения канала (Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков "Справочник конструктора трубопроводной арматуры" - Л.: Машиностроение, 1987 г., с.108).
Площадь проходного сечения отверстия трубопровода, соединенного с арматурой, равна максимальной площади проходного сечения канала, т.е. площади проходного сечения входного (выходного) отверстия канала. Входной и выходной участки канала имеют коническую форму с углом конусности, как правило, не более 10-12°, при этом сужение проходного канала (отношение минимальной площади проходного сечения канала к максимальной площади проходного сечения канала) составляет величину в пределах 0,8-0,99. В режиме нормальной эксплуатации проходное сечение канала открыто для протока рабочей среды, которая при контакте со стенками канала создает гидравлическое сопротивление, влияющее на энергетические потери на объекте, где установлена трубопроводная арматура. В режиме прекращения подачи среды через арматуру проходное сечение канала перекрывают запорным элементом, который вводят в седло. Между входным и выходным участками возникает перепад давлений, который создает значительную гидравлическую силу, воздействующую на седло и запорный элемент, особенно в аварийных ситуациях, связанных с разрывом трубопровода.
Недостатком известной трубопроводной арматуры является увеличение гидравлического сопротивления в режиме открытого проходного сечения канала, которое возрастает в случае изготовления арматуры с сужением канала менее 0,8. Это обстоятельство является причиной ограниченного ассортимента выпускаемой промышленностью трубопроводной арматуры. Увеличение гидравлического сопротивления объясняется тем, что поток жидкости, движущийся по трубопроводу с цилиндрическим проходным сечением и поступающий во входной участок канала, встречает препятствие в виде достаточно крутой конической стенки. Струи потока, перемещающиеся в трубопроводе параллельно до столкновения со стенкой канала, начинают сжиматься, создавая дополнительное сопротивление движению. Далее поток, двигаясь по входному участку канала, перестраивается в "коническое" течение и входит в цилиндрическое отверстие седла, где довольно резко изменяет течение на "цилиндрическое", образуя вихри в его объеме, которые еще больше увеличивают сопротивление. На выходном участке канала поток дважды испытывает резкое изменение движения, а именно: на входе из цилиндрического отверстия седла в конический канал и на выходе из конического канала в цилиндрический трубопровод.
Задачей настоящего изобретения является создание трубопроводной арматуры, которая позволит уменьшить энергетические потери в режиме нормальной эксплуатации и снизить гидравлические силовые нагрузки в режиме перекрытия проходного сечения арматуры, а также значительно уменьшить металлоемкость изделия и себестоимость его изготовления.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение гидравлического сопротивления в режиме открытого для рабочей среды проходного сечения канала путем выполнения плавного рельефа проточной части трубопроводной арматуры. Поэтому при переходе из трубопровода во входной участок канала, из входного участка в отверстие седла, из отверстия седла в выходной участок канала, из выходного участка в трубопровод поток рабочей среды не испытывает препятствий на пути движения и свободно проходит через все переходы, что исключает возможность образования вихрей и увеличения гидравлического сопротивления.
Кроме этого, дополнительным техническим результатом является снижение гидравлического давления рабочей среды (жидкости или газа) на седло в режиме полного перекрытия проходного канала путем обеспечения возможности уменьшения площади проходного сечения отверстия седла.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной трубопроводной арматуре, содержащей корпус, в котором выполнен осевой проточный канал с сужающимся входным и расширяющимся выходным участками, между которыми установлено, по крайней мере, одно седло с отверстием, площадь проходного сечения которого равна минимальной площади проходного сечения канала, поверхность, по меньшей мере, одного из упомянутых участков канала выполнена в виде сопряженных между собой выпуклой и вогнутой по отношению к оси канала поверхностей, образующие которых представляют собой дуги окружностей, при этом дуга выпуклой поверхности проходит касательно к горизонтальной образующей отверстия трубопровода или отверстия участка канала с максимальной площадью проходного сечения, а дуга вогнутой поверхности проходит касательно к горизонтальной образующей отверстия седла или отверстия участка канала с минимальной площадью проходного сечения.
Кроме этого, выпуклая и вогнутая поверхности сопряжены между собой непосредственно.
Кроме этого, выпуклая и вогнутая поверхности сопряжены между собой через переходную коническую поверхность.
Кроме этого, отношение минимальной площади проходного сечения канала к максимальной площади проходного сечения канала составляет величину, выбранную в пределах от 0,79 до 0.5.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена трубопроводная арматура с входным профилированным участком канала (продольный разрез), на фиг.2 представлена трубопроводная арматура с выходным профилированным участком канала (продольный разрез), на фиг.3 показана трубопроводная арматура с профилированными входным и выходным участками (продольный разрез), на фиг.4 представлен пример построения профиля выходного участка канала, на фиг.5 показан пример посроения профиля участка канала с сопряжением через переходную коническую поверхность.
Трубопроводная арматура содержит корпус 1, в котором выполнен проточный канал, включающий сужающийся входной участок 2 и расширяющийся выходной участок 3. Между входным участком 2 и выходным участком 3 проточного канала установлены два седла 4 для размещения запорного элемента 5 (может быть установлено одно седло - на чертеже такой вариант не показан). В седле 4 выполнено отверстие 6, площадь проходного сечения которого равна минимальной площади проходного сечения отверстия канала. Сужающийся по направлению движения потока участок 2 канала имеет входное отверстие, проходное сечение которого максимально и равно проходному сечению отверстия подсоединенного трубопровода 7, а выходное отверстие участка 2 имеет минимальное проходное сечение и соединено с отверстием 6 седла 4. Поверхность входного участка 2 канала выполнена в виде сопряженных между собой выпуклой и вогнутой по отношению к оси канала поверхностей, которые могут быть сопряжены непосредственно или в случае больших строительных длин (длина арматуры) и малых углах конусности через переходную коническую поверхность. Расширяющийся по направлению движения потока выходной участок 3 имеет входное отверстие, проходное сечение которого минимально и соединено с отверстием 6 седла 4, а выходное отверстие участка 3 выполнено с максимальным проходным сечением, которое равно проходному сечению отверстия подсоединенного трубопровода 7. Поверхность выходного участка 3 выполнена в виде сопряженных между собой вогнутой и выпуклой по отношению к оси канала поверхностей, которые могут быть сопряжены непосредственно или в случае больших строительных длин и малых углах конусности через переходную коническую поверхность. Образующие вогнутой и выпуклой поверхностей участков 2, 3 представляют собой дуги окружностей, которые сопрягаются в точке «ТС» или точке «ТС1», или в точке «ТС2». При равенстве радиусов дуг вогнутой и выпуклой поверхностей точка «ТС» расположена в центральной части участка 2, (участка 3). При сопряжении вогнутой и выпуклой поверхностей через переходную поверхность дуги сопряжены через прямую, которая при равенстве радиусов дуг расположена в центральной части участка 2 (участка 3). Дуга вогнутой поверхности (образующая вогнутой поверхности) проходит касательно к горизонтальной образующей отверстия седла 4 или отверстия канала с минимальной площадью проходного сечения, а дуга выпуклой поверхности (образующая вогнутой поверхности) проходит касательно к горизонтальной образующей отверстия канала с максимальной площадью проходного сечения или отверстия трубопровода 7. Отношение минимальной площади проходного сечения канала к максимальной площади проходного сечения канала составляет величину, выбранную в пределах от 0,79 до 0,5.
тр
c
п
1
2
1
1
2
1
1
2
1
2
Конкретный пример построения профилированной поверхности выходного участка канала трубопроводной арматуры, у которой d - диаметр трубопровода; d - диаметр отверстия седла; L - длина перехода от минимального диаметра проходного сечения канала к максимальному представлен на фиг 4. Точки "а" и "б" соединяют прямой "а-б" и через упомянутые точки проводят перпендикуляры к оси канала. Прямую "а-б" делят на четыре части (точки "в", "г"), как правило, равные, но не обязательно. Через точки "в" и "г" проводят перпендикуляры к прямой "а-б" до пересечения с перпендикулярами, проходящими через точки "а" и "б". Точки "о" и "о" пересечения перпендикуляров являются центрами окружностей дуг вогнутой и выпуклой поверхностей, а прямые "ов" ("оa") и "ог"("об") являются соответственно их радиусами R и К. Проводят дуги радиусами R и R, одна из дуг проходит касательно в точке "а" к горизонтальной образующей отверстия седла 4, а другая дуга проходит в точке "б" касательно к горизонтальной образующей отверстия трубопровода 7. Точка "ТС" пересечения дуг является точкой их сопряжения. Пунктирными линиями на фиг.4 изображены профили двух других вариантов выполнения проходного сечения канала, у которых точки сопряжения "ТС1" и "ТС2" находятся также в центральной части участка канала, но в отличие от вышеизложенного варианта ближе к седлу или к трубопроводу соответственно. По полученному профилю создают программу обработки проточного канала арматуры на станке с числовым программным управлением. Аналогично выполняют построение сопряженного через конусную поверхность профиля проточного канала (фиг.5), при этом дуги сопрягаются через прямую "д-е", касательную к ним. При построении профилированной поверхности канала для получения максимального эффекта от использования трубопроводной арматуры необходимо выбирать рациональное сочетание размеров: а именно: радиусы дуг выпуклой и вогнутой поверхности должны быть пропорциональны максимальному и минимальному диаметру проходного сечения канала, а также строительной длине арматуры.
Трубопроводная арматура работает следующим образом.
В режиме нормальной эксплуатации рабочая среда, например, жидкий теплоноситель, из трубопровода 7 свободно входит во входной участок 2 канала, поскольку запорный элемент 5 поднят в крайнее верхнее положение относительно седел 4, и канал открыт для протока теплоносителя. Вследствие плавного изменения площади проходного сечения сужающегося входного участка 2 исключена возможность образования вихрей, поэтому скорость движения теплоносителя во входном участке 2 плавно увеличивается. В проходном сечении отверстия 6 седла 4 скорость остается постоянной, а в выходном участке 3 плавно уменьшается и теплоноситель уходит в трубопровод 7. Удельный коэффициент сопротивления при движении теплоносителя незначительный, а гидравлическое сопротивление возрастает только из-за увеличения скоростного напора, поэтому гидравлические потери остаются приемлемыми по своей величине. Для прекращения подачи теплоносителя во входной участок 2 запорный элемент 5 перемещают поступательно вниз до контакта с седлами 4. Запорный элемент 5 постепенно перекрывает проходное сечение отверстия 6 седел 4. В уменьшенном проходном сечении возрастают скорость теплоносителя и соответственно давление на седло 4 и запорный элемент 5. Давление достигает максимального значения при полном перекрытии проходного сечения отверстия 6, однако учитывая сужение, которое использовано в заявленной арматуре (от 0,79 до 0,5), это давление существенно меньше, чем у известной трубопроводной арматуры при одновременном сохранении допустимого коэффициента гидравлического сопротивления. Для открытия отверстия 6 седла 4 процесс повторяют в обратном порядке. Если принять сужение по ряду: 0,8; 0,63; 0,5, то усилия на седле и запорном элементе снижаются соответственно в 1,6; 2,5; 4 раза относительно полнопроходной арматуры (без сужения) или в 1,6; 2,5 раза относительно арматуры-прототипа с сужением 0,8.