КЛАПАН ЗАПОРНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ НОРМАЛЬНО-ЗАКРЫТЫЙ
NORMALLY CLOSED ELECTROMAGNETIC SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к автоматической арматуре с дистанционным управлением. Клапан запорный электромагнитный нормально-закрытый (далее клапан) предназначен для автоматического перекрытия потоков газообразных сред на газопроводах систем газораспределения и газопотребления природного газа. Клапан может быть использован в блоке газооборудования автоматического, предназначенного для работы группы горелок котлов.
Известен резервированный запорный магистральный электропневматический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур (далее клапан) (RU, патент №2350813 С1, опубл. 27.03.2009 г.), предназначенный для перекрытия потоков рабочей среды в трубопроводных технологических линиях или магистралях, транспортирующих преимущественно газообразные среды с высокими давлением и температурой, в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Известный клапан является нормально-закрытым. Клапан управляется двумя приводами - электромагнитным и резервным ручным приводом. На корпусе клапана с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды и с седлом для затвора закреплен направляющий цилиндр. На направляющем цилиндре установлен корпус для ручного и электромагнитного приводов. Электромагнитный привод содержит размещенные коаксиально две электромагнитные катушки, центральная из них - импульсная, другая выполнена с функцией «удерживающей» катушки с меньшей выходной мощностью. На электромагнитном приводе установлен блок сигнализации и переключений, цель которого информировать о крайних положениях затвора и отключать или включать импульсную катушку электромагнита. По оси электромагнитных катушек расположена направляющая гильза, в которой расположен стоп и сердечник. В полости корпуса и направляющего цилиндра расположен затвор, в котором расположен пилотный клапан. Седло пилотного клапана расположено в затворе. В затворе выполнены дросселирующие отверстия, с помощью которых внутренняя полость затвора соединяется с впускным участком корпуса. Шток закреплен одним концом с сердечником, а другим с пилотным клапаном. Возврат клапана в исходное состояние «закрыто» осуществляется двумя возвратными пружинами.
Конструкция известного клапана решает несколько задач, а именно:
- Обеспечение информативности о положении затвора, а именно введение в конструкцию блока сигнализации, что увеличивает потребительские свойства клапана.
- Снижение расхода электроэнергии, потребляемой клапаном, что, в свою очередь, ведет к уменьшению нагрева катушки электромагнита и, следовательно, к увеличению надежности клапана. Эта задача обеспечивается введением в конструкцию клапана пилотного клапана и введением блока переключений. Использование пилотного клапана с уменьшенной неразгруженной от давления площадью уменьшает тяговое усилие электромагнитной катушки на открытие клапана. Использование блока переключений позволяет отключить одну из двух катушек, а именно «импульсную» в длительном режиме «удержания».
- Выполнение запорного клапана в виде единого блока-модуля с возможностью легкого встраивания непосредственно в магистральную линию.
- Обеспечение управления клапаном как вручную, так и дистанционно с помощью электрического сигнала, формируемого на панели управления (автоматического управления).
Однако при всех достоинствах известного клапана, у него есть и недостатки. Так, чтобы открыть затвор движущийся сердечник должен преодолеть усилие двух возвратных пружин, что ведет к снижению надежности работы клапана. Использование двух катушек приводит к увеличению габаритов и стоимости клапана.
Известен электромагнитный клапан (RU, полезная модель №43614U1, опубл. 27.01.2005 г.), предназначенный для использования в системах дистанционного автоматического управления газогорелочными устройствами, бытовыми отопительными установками, трубопроводными системами управления потоками углеводородных газов (природного или сжиженного), воздуха, а также других неагрессивных газов в качестве запорно-регулирующего органа. Указанный клапан является нормально-закрытым и содержит одну электромагнитную катушку и форсирующее устройство, которое установлено в кабельном вводе. Во время работы форсирующего устройства происходит увеличение тягового усилия за счет увеличения силы тока. В этот момент потребляемая мощность возрастает, но продолжительность момента невелика и составляет менее одной секунды, что равно времени срабатывания электромагнитного клапана. За это время происходит открытие нормально-закрытого клапана. Затем форсирующее устройство отключается, и электромагнитный клапан переходит в режим удержания, продолжительность которого значительно превышает время срабатывания клапана. В указанном клапане решена задача снижение расхода электроэнергии и увеличения надежности в клапане с одной электромагнитной катушкой. Однако патент касается только возможности использования форсирующего устройства и его расположения (в кабельном вводе между электромагнитной катушкой и источником питания) и не затрагивает конструктивное выполнение клапана, тогда как для создания единого устройства, легко встраиваемого в магистральную линию газопровода, требуется обеспечить оптимальное расположение взаимодействующих между собой конструктивных элементов.
В качестве прототипа принят электромагнитный клапана (SU, авторское свидетельство №850964, опубл. 30.07.1981 г.), поскольку ему присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения. Известный электромагнитный клапан является нормально-закрытым. Он содержит электромагнит и корпус с впускным и выпускным патрубками и с седлом для затвора. В корпусе установлен затвор с седлом для пилотного клапана. Пилотный клапан, расположен в затворе. Один конец штока соединен с сердечником электромагнита, а другой с пилотным клапаном. Возвратная пружина расположена между упором штока и корпусом. В известном электромагнитном клапане отсутствует средство, позволяющее снизить потребляемую электроэнергию, и средство, дающее информацию о расположении затвора, что снижает удобство работы и сужает сферу применения клапана.
Задачей изобретения является создание простой и надежной конструкции клапана, выполненной в виде единого блока, легко встраиваемого в магистраль газопровода, снижение расхода электроэнергии и повышение потребительских свойств клапана.
Технический результат достигается тем, что клапан запорный электромагнитный нормально-закрытый содержит корпус с входной и выходной полостями и седлом для затвора, затвор с седлом для пилотного клапана, установленный в корпусе, пилотный клапан, расположенный в затворе, разделительную трубку, закрепленную на корпусе, электромагнит, содержащий полюс, сердечник, электромагнитную катушку, магнитопровод и верхний полюс, при этом полюс и сердечник расположены в разделительной трубке, а электромагнитная катушка, магнитопровод и верхний полюс расположены на разделительной трубке, шток, один конец которого соединен с пилотным клапаном, а другой соединен с сердечником, пружину, расположенную в зазоре между сердечником и разделительной трубкой, стакан, расположенный на верхнем полюсе электромагнита, блок управления клапаном, расположенный в стакане и индуктивный датчик положения затвора, расположенный в стенке корпуса, при этом в затворе выполнены отверстия. Блок управления клапаном имеет возможность изменять величину потребляемого клапаном тока. Индуктивный датчик выполнен с возможностью регистрации закрытого положения затвора. Отверстия, выполненные в затворе, соединяют входную полость корпуса и внутреннюю полость затвора. В пилотном клапане выполнены отверстия, соединяющие внутреннюю полость затвора и внутреннюю полость пилотного клапана. Полюс, расположенный в разделительной трубке, зафиксирован от осевого перемещения по разделительной трубке кольцом. Сердечник установлен в разделительной трубке с возможностью осевого перемещения. Электромагнитная катушка, магнитопровод, верхний полюс и стакан зафиксированы от перемещения по разделительной трубке. Седло пилотного клапана может быть выполнено, как отдельная деталь, расположенная в торцевой стенке затвора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1 Клапан запорный электромагнитный нормально-закрытый (главный вид).
Фиг.2 Клапан запорный электромагнитный нормально-закрытый (вид сбоку).
Клапан запорный электромагнитный нормально-закрытый содержит следующие элементы:
1 - корпус;
2 - седло затвора;
3 - разделительная трубка;
4 - затвор;
5 - пилотный клапан;
6 - шток;
7 - штифт;
8 - сердечник;
9 - штифт;
10 - полюс;
11 - стопорное кольцо;
12 - пружина;
13 - стопорное кольцо;
14 - седло пилотного клапана;
15 - сквозные отверстия в затворе;
16 - отверстия в пилотном клапане;
17 - уплотнительное кольцо;
18 - уплотнительное кольцо;
19 - уплотнительное кольцо;
20 - электромагнитная катушка;
21 - магнитопровод;
22 - верхний полюс;
23 - стакан;
24 - кольцо;
25 - стопорное кольцо;
26 - винт;
27 - крышка;
28 - плата БУК;
29 - стойка;
30 - розетка соединительная;
31 - индуктивный датчик;
32 - заглушка.
В корпусе 1 клапана выполнены входная и выходная полости и седло 2 затвора. Седло 2 затвора имеет вид кольцевого выступа. На корпусе жестко установлены штуцера для соединения с магистралью газопровода. Корпус 1 соединен с разделительной трубкой 3 и их резьбовое соединение герметизировано уплотнительным кольцом. В корпусе 1 расположен затвор 4, предназначенный для закрытия прохода в седле 2 затвора. В затворе 4 выполнена внутренняя полость, в которой расположен пилотный клапан 5. Пилотный клапан 5 соединен со штоком 6 при помощи штифта 7, расположенного в отверстиях пилотного клапана и штока, при этом часть штока расположена во внутренней полости пилотного клапана. Другой конец штока 6 соединен с сердечником 8 при помощи штифта 9, расположенного в отверстиях штока и сердечника, при этом часть штока расположена в осевом отверстии сердечника. Штифты 7 и 9 расположены перпендикулярно относительно друг друга. Полюс 10 электромагнита расположен во внутренней полости разделительной трубки 3 и зафиксирован от осевого перемещения кольцом 11. Сердечник 8 электромагнита расположен с возможностью осевого перемещения во внутренней полости разделительной трубки 3. Сердечник 8 имеет на одном конце конус для вхождения в ответный конус на торце полюса 10, а на другом конце упор для пружины 12. Пружина 12 расположена в зазоре между внешней поверхностью сердечника 8 и внутренней стенкой разделительной трубки 3 и имеет возможность сжиматься между упором сердечника и упором на внутренней поверхности разделительной трубки.
Перемещение пилотного клапана в полости затвора ограничено кольцом 13 и седлом 14 пилотного клапана, которое может быть выполнено как отдельная деталь, установленная в торец затвора. В цилиндрической стенке затвора 4 выполнены сквозные отверстия 15, соединяющие входную полость корпуса и внутреннюю полость затвора. В пилотном клапане 5 выполнены отверстия 16, соединяющие внутреннюю полость затвора с внутренней полостью пилотного клапана. В цилиндрической и торцевой стенках затвора 4 установлены уплотнительные кольца (17 и 18) из эластичного материала. В торцевой поверхности пилотного клапана 5 установлено уплотнительное кольцо 19 из эластичного материала. При закрытии клапана уплотнительное кольцо 19 пилотного клапана вдавливается в седло 14 пилотного клапана, а уплотнительное кольцо 18 затвора вдавливается в седло 2 затвора.
На разделительной трубке последовательно расположены магнитопровод 21 (может быть выполнен составным), электромагнитная катушка 20 и верхний полюс. На верхнем полюсе 22 установлен стакан 23. Все эти детали зафиксированы от перемещения по разделительной трубке кольцами 24 и 25 и винтами 26. На стакан 23 устанавливается крышка 27.
В стакане 23 расположен блок управления клапаном (далее БУК), плата 28 которого расположена на пустотелой трубчатой стойке 29. Питание к БУК подается через соединительную розетку 30, расположенную в стенке стакана. Клапан оснащен индуктивным датчиком (выключателем) 31 одного из крайних положений затвора, а именно положения «закрыто».
Сигнал состояния клапана снимается с индуктивного датчика 31. Индуктивный датчик 31 расположен в боковой стенке корпуса. Для этого в корпусе выполнены резьбовые отверстия, ось которых перпендикулярна оси штуцеров. В одном из отверстий установлена заглушка 32, а в другом индуктивный датчик 31. Индуктивный датчик и заглушка, для удобства эксплуатации, могут быть переставлены. Индуктивный датчик 31 может быть расположен в основании корпуса.
Работа клапана происходит следующим образом.
Исходное состояние клапана - нормально-закрытое. В этом состоянии электромагнитная катушка 20 электромагнита и БУК обесточены. К клапану подведено рабочее давление от источника магистральной газовой системы. Через отверстия 15 в затворе и отверстия 16 в пилотном клапане рабочая среда поступает в пространство над затвором и пилотным клапаном и далее через расточки в сердечнике в пространство между полюсом и сердечником. Давление в указанных полостях равно давлению на входе в клапан, следовательно, затвор 4 и пилотный клапан 5 прижаты к седлам давлением среды и дополнительно пружиной 12. Индуктивный датчик 31 регистрирует состояние клапана, как «закрытое».
откр.
откр
откр.
удерж.
В режиме «открывания» клапана подается управляющий сигнал на БУК, а с него на электромагнитную катушку 20 подается величина тока J, достаточная для открывания клапана. При этом сердечник 8 движется к полюсу 10 и перемещает шток 6 с пилотным клапаном 5. Пружина 12 сжимается. Проход в седле 14 пилотного клапана открывается, и рабочая среда из полостей над затвором и над пилотным клапаном, а так же из полостей в разделительной трубке попадает через проход в седле 14 пилотного клапана в выходную полость корпуса. Так как сопротивление истечению через проход в седле 14 пилотного клапана гораздо меньше сопротивлению в отверстиях 15 затвора, давление в полостях над затвором и пилотным клапаном и в выходной полости корпуса примерно выравниваются. Пилотный клапан 5 движется до кольца 13, установленного в затворе 4, и увлекает за собой затвор. БУК подает на электромагнитную катушку 20 величину тока J не более 4 секунд, а затем переходит в режим «удержания», продолжительность которого значительно превышает время срабатывания клапана. Усилие по удержанию затвора в несколько раз меньше тягового усилия, необходимого для поднятия затвора, поэтому потребляемая мощность в это время значительно ниже, чем в режиме «открывания». Поэтому БУК снижает величину тока J до величины тока J, необходимого для удержания затвора.
Для возвращения клапана в исходное состояние, а именно для закрытия клапана, прекращается подача питания на БУК и электромагнитную катушку.
Использование БУК позволяет снизить потребление электроэнергии при эксплуатации клапана запорного электромагнитного нормально-закрытого, что уменьшает разогрев электромагнитной катушки и, следовательно, увеличивает надежность клапана.