ШАРОВОЙ КРАН
BALL VALVE

Техническое решение относится к электроприводной арматуре, используемой, в частности, в системах топливообеспечения энергетических котлоагрегатов и газопотребляющих систем, и может быть использовано для обеспечения взрывобезопасного и экономичного сжигания углеводородного топлива в энергетических котлоагрегатах. Обеспечение взрывобезопасности и эффективного сжигания природного газа регламентируется документом: Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности сетей газораспределения и газопотребления». Правила указывают на необходимость установки быстрозапорных отсечных клапанов, время срабатывания которых не должно превышать 1 секунды.
Известны различные конструкции запорных и запорно-регулирующих кранов, отличающихся по типу затвора (шаровой, цилиндрический, конусный) и типу привода - электрический, электромагнитный, пневматический, гидравлический, ручной (Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение, 1987, с. 68).
Известен шаровой регулирующий кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, который связан с приводным валом электропривода. Кран предназначен для автоматического управления расходом жидкостей в трубопроводах (кран шаровой регулирующий с электроприводом производства ОАО НИПОМ; http://WWW/nipom.ru/armature/11ng902.html).
К недостаткам этого крана следует отнести невозможность мгновенного (менее 1 секунды) автоматического закрытия крана при прекращении подачи электроэнергии, что может привести к аварийной ситуации при работе с агрессивными и взрывоопасными средами.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, электропривод с приводным валом. Между корпусом и электроприводом установлен пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, внутри которого размещен промежуточный вал, сопряженный, с возможностью передачи крутящего момента, со шпинделем и муфтой сцепления. При этом муфта сцепления сопряжена с плавающим в аксиальном направлении фланцем, который в свою очередь жестко связан с цилиндрической пружиной, закрепленной на основании цилиндра. При этом муфта сцепления может входить в зацепление, при передаче крутящего момента, с приводным валом электропривода. Кроме этого на крышке цилиндра закреплена шарнирная пластина, сопряженная с плавающим фланцем и сердечником электромагнита. Пластина может складываться при аксиальном перемещении плавающего фланца (см., например, патент РФ №2364777 С1, МПК F16K 5/06, 31/02 от 20.11.2007 г.)
К недостаткам указанного устройства следует отнести:
Во-первых, несвойственная для цилиндрической пружины функция создания крутящего момента путем закручивания относительно собственной оси может привести к релаксации упругих свойств.
Во-вторых, асимметрично установленная шарнирная пластина создает изгибающий момент, который может привести к перекосу плавающего фланца и, как следствие, заклиниванию последнего в процессе осевого перемещения.
Указанные недостатки приведут к невозможности мгновенного автоматического закрытия крана при прекращении подачи электроэнергии. Это соответственно может привести к аварийной ситуации при работе с агрессивными и взрывоопасными средами.
Известен и является прототипом шаровой кран, содержащий корпус, шаровой запорный элемент со шпинделем, электропривод с приводным валом, пустотелый цилиндр с основанием и крышкой. Внутри цилиндра установлен промежуточный вал, сопряженный со шпинделем шарового крана устройством передачи крутящего момента. На промежуточном валу установлена плавающая в аксиальном направлении подпружиненная втулка с фланцем. Втулка сопряжена с промежуточным валом и приводным валом электропривода соответственно муфтой сцепления типа штифт-паз и устройством передачи крутящего момента. При этом фланец связан с сердечниками электромагнитов рычажным механизмом. На основании пустотелого цилиндра коаксиально промежуточному валу установлена цилиндрическая пружина сжатия. Пружина одним концом жестко зафиксирована на основании, а другим сопряжена с промежуточным валом с возможностью передачи крутящего момента. Электропривод через промежуточный вал имеет возможность закручивать пружину относительно собственной оси при угловом повороте шпинделя. В процессе работы закрученная пружина создает крутящий момент, который может закрыть шаровой кран при обесточивании электропривода (см., например, патент РФ №2495312 С1, МПК F16K 5/06, 31/02 от 12.05.2012 г.)
Недостатком прототипа является релаксация упругих свойств пружины при ее закручивании в процессе работы Это обстоятельство приводит к потере работоспособности пружины и, как следствие, может привести к аварийной ситуации при работе со взрывоопасными и агрессивными средами при обесточивании энергоблока.
Таким образом, задачей изобретения является обеспечение автоматического мгновенного закрытия шарового затвора при прекращении подачи электроэнергии к электроприводу крана.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в шаровом кране, содержащем корпус, шаровой затвор со шпинделем, электропривод с приводным валом, пустотелый цилиндр с основанием и крышкой, промежуточный вал, сопряженный с возможностью передачи крутящего момента со шпинделем шарового затвора, плавающую и подпружиненную втулку, способную аксиально перемещаться относительно промежуточного вала, при этом втулка связана с приводным валом электропривода сопряжением квадрат в квадрате, а с промежуточным валом - зацеплением типа паз-выступ, кроме этого втулка соединена с сердечниками двух вертикальных электромагнитов, установленных на основании пустотелого цилиндра, предусмотрены следующие отличия: на промежуточном валу, с возможностью передачи крутящего момента, установлен диск, на наружной поверхности которого с равномерным шагом выполнены зубья трапецеидального профиля, которые могут сопрягаться с зубьями аналогичного профиля, выполненными на наружной поверхности двух параллельных цилиндрических реек, установленных тангенциально диску, при этом каждая рейка подпружинена и имеет возможность тангенциального перемещения по коаксиальным, жестко закрепленным направляющим.
Техническое решение в аварийной ситуации, используя потенциальную энергию сжатой пружины, позволяет мгновенно (менее 1 секунды) закрыть шаровой кран и отсечь взрывоопасную и агрессивную среду от энергетического котлоагрегата.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 - продольный разрез шарового крана в положении «открыто»;
- на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.
Предложенный шаровой кран состоит из корпуса 1, шарового затвора 2, шпинделя 3. На корпусе 1 установлен пустотелый цилиндр 4 с основанием 5 и крышкой 6. На крышке 6 закреплен электропривод 7 с приводным валом 8. Внутри цилиндра 4 установлен в подшипниках качения 9 промежуточный вал 10, сопряженный со шпинделем 3 соединением типа квадрат в квадрате. На промежуточном валу 10 установлена плавающая в аксиальном направлении втулка 11, которая связана с приводным валом 8 электропривода 7 сопряжением квадрат в квадрате. Кроме этого втулка 11 имеет паз 12, который при передаче крутящего момента может входить в зацепление с выступами 13 промежуточного вала 10. При этом втулка 11 через подшипник 14, диафрагму 15 связана с сердечниками 16 электромагнитов 17 и пружинами 18. На промежуточном валу 10 с возможностью передачи крутящего момента установлен диск 19, на наружной поверхности которого с равномерным шагом выполнены трапецеидальные зубья 20. Тангенциально диску 19 установлены цилиндрические рейки 21, на наружной поверхности которых выполнены трапецеидальные зубья 22. Зубья 20 диска 19 и зубья 22 реек 21 образуют зацепление «шестерня-рейка». При этом рейки 21 сопряжены с пружинами 23, установленными коаксиально, и могут тангенциально перемещаться вдоль цилиндрических направляющих 24, жестко закрепленных на основании 5
Шаровой кран работает следующим образом.
В процессе бесперебойного электропитания электромагниты 17 втягивают сердечники 16 и через диафрагму 15 сжимают пружины 18. При этом втулка 11 перемещается вдоль промежуточного вала 10 до зацепления паза 12 с выступами 13. Электропривод 7 через втулку 11, промежуточный вал 10 поворачивает шпиндель 3 на 90 градусов и открывает шаровой затвор 2 в рабочее положение «открыто». При этом диск 19 через зубчатое зацепление сдвигает рейки 21 по направляющим 24, сжимая пружины 23.
В случае аварийного прекращения подачи электропитания на катушки электромагнитов 17 электромагнитное поле, которое удерживало пружины 18 в сжатом состоянии, пропадает. Пружины 18 через диафрагму 15 перемещают втулку 11 в осевом направлении до выхода паза 12 из зацепления с выступами 13.После этого сжатые пружины 23 начинают сдвигать рейки 21 по направляющим 24. При этом рейки 21 через зубчатое зацепление поворачивают диск 19, который через промежуточный вал 10, шпиндель 3 переводит шаровой затвор 3 в положение «закрыто». В этом положении шаровой кран отсекает подачу взрывоопасной среды в обслуживаемое помещение, обеспечивая безаварийную работу энергоагрегата.
При возобновлении подачи электроэнергии оператор открывает шаровой кран вручную.