ШАРОВОЙ КЛАПАН
BALL VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, а именно к шаровым клапанам с дистанционным управлением, и предназначено для использования в условиях высоких входных давлений, например в ракетной технике для пуска и отсечки компонентов в агрегаты двигателя.
Известен трех- или четырехходовой шаровой клапан (заявка FR 2653522, МПК F16K 5/06), содержащий корпус, сферический затвор, приводной шток, уплотнение сферического затвора, уплотнение приводного штока. Недостатком указанного шарового клапана является то, что сферический затвор не имеет опор в корпусе, тем самым все усилие воспринимается уплотнениями и при высоких входных давлениях значительно возрастает момент вращения шарового затвора.
Известен шаровой кран (патент DE 3905241, МПК F16K 5/06), содержащий корпус, шаровое тело, направляющие чаши, приводной вал. Недостатком указанного шарового крана является то, что при высоких входных давлениях рабочих тел значительно возрастает момент поворота шарового тела.
Известен вентиль со сферической вращающейся пробкой (заявка FR 2646488, МПК F16K 5/06, 27/06), содержащий корпус, сферическую вращающеюся пробку, седло. Недостатком указанного вентиля со сферической вращающейся пробкой является то, что при высоких входных давлениях со стороны входа вентиля значительно возрастает момент поворота пробки.
Известен шаровой клапан (патент RU 2302574, МПК F16K 5/20), содержащий корпус, расположенный в нем шпиндель, шаровую пробку и узел уплотнений в виде разъемных кольцевых седел. К недостатку данной конструкции можно отнести применение упругих уплотнительных колец со сложной конструкцией заделки.
Известен шаровой кран двустороннего действия для высоких входных давлений (патент RU 2267683, МПК F16K 5/20, 27/06), содержащий корпус, приводной вал, шаровой запорный орган, седла-уплотнители и поджимные устройства. К недостатку данной конструкции можно отнести повышенный момент трения при срабатывании шарового крана на открытие при больших входных давлениях.
Известен клапан электромагнитный прямоточный (патент RU 2371625, МПК F16K 31/02), содержащий корпус с подводящим патрубком, электромагнитный привод, седло, уплотнительный элемент (кольцо).
К недостатку данной конструкции можно отнести повышенную массу электромагнита при работе клапана на высоких входных давлениях.
Известен шаровой клапан (заявка US 4678161, МПК F16K 5/06, K 25/00), содержащий корпус, сферический затвор, кольцевые прокладки, держатели, поворотный вал, уплотнение вала, опорный вал.
К недостаткам шарового клапана следует отнести сложность обеспечения плотного прилегания сферического затвора к поверхности поворотного и опорного валов и к кольцевым прокладкам, и невозможность обеспечения малого момента на сферическом затворе во время срабатывания шарового клапана при высоких входных давлениях.
Известно устройство (заявка DE 4141287 А1, МПК F16K 39/06, 5/20, 5/06), содержащее корпус, шаровой затвор с валом и нижней опорой, выполненный за одно целое. К недостаткам данной конструкции можно отнести невозможность использования конструкции при эксплуатации в условиях низких температур в связи с применением резиновых уплотнений, а также использование рычага для обеспечения срабатывания устройства, что затруднительно при автономном использовании устройства.
Известен вакуумный кран (заявка SU 391325 А1, кл. МПК F16K 5/06, 31/54, 5/06), содержащий корпус, седла, уплотнитель, запорный элемент, мембраны, рычаг. К недостатку данного крана можно отнести невозможность использования мембран при больших входных давлениях.
Известно запорное устройство (заявка SU 839450 A3, кл. МПК F16K 5/06, 5/20, 5/06), содержащее корпус, входной и выходной патрубки, запорную пробку с дренажным каналом, расположенным под углом относительно входного и выходного патрубков, герметизирующий элемент и опорные манжеты. К недостаткам данной конструкции можно отнести повышенный момент трения при срабатывании на открытие и закрытие при больших входных давлениях, вызванный предварительным поджатием опорных манжет и герметизирующего элемента гайками и воздействием высокого давления на ненормированную площадь между уплотнениями и шаровым затвором, сложность изготовления дренажного канала в запорной пробке, повышенное гидравлическое сопротивление и частичное контактирование герметизирующего элемента с запорной пробкой при закрытом запорном устройстве.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является шаровой клапан (заявка RU 2285852, МПК F16K 31/122, 31/54, 5/6 - прототип), содержащий корпус, входной и выходной каналы, оси, взаимодействующие с шаровым затвором, шестерню и рейку, седла и уплотнительные узлы.
К недостатку принятой за прототип конструкции следует отнести сложность изготовления седла и уплотнительного узла и невозможность использования конструкции при низких температурах.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, снижение момента поворота затвора с валом, увеличение ресурса, повышение герметичности с эксплуатацией агрегата при работе в условиях высоких входных давлений и низких температур компонентов.
Поставленная задача решается следующим образом.
В известном устройстве, содержащем корпус с переходниками входа, выхода и дренажа, шаровой затвор с валом и нижней опорой установленный в шарикоподшипники, уплотнение шарового затвора, уплотнение вала, подпружиненную рейку, взаимодействующую с зубчатым колесом вала и по торцу со штоком привода, переходник дренажа, ось которого расположена под углом и проходит через центр шарового затвора, согласно изобретению уплотнение шарового затвора выполнено в виде кольца трапецеидального сечения, в корпусе перпендикулярно переходникам входа и выхода выполнена проточка со стенкой, в которой выполнены отверстие и проточка, в которую установлена опорная втулка, на вал установлено уплотнение в виде кольца трапецеидального сечения с внутренней проточкой, взаимодействующей с опорной втулкой, а по торцу с торцом стенки корпуса, в переходнике дренажа выполнена цилиндрическая поверхность, а уплотнение дренажа выполнено в виде манжеты, установленной на цилиндрическую поверхность переходника дренажа и взаимодействующей уплотнительной кромкой с шаровым затвором.
В закрытом положении шарового клапана канал шарового затвора расположен под углом относительно оси каналов переходников входа и выхода шарового клапана.
Выполнение колец с трапецеидальным сечением позволяет обеспечить плотное поджатие утоненных концевых частей уплотнений давлением и пружинами с обеспечением герметичности.
Постановка на вал кольца с внутренней проточкой, взаимодействующей с опорной втулкой, а по торцу с торцом стенки корпуса, обеспечивает эксплуатацию шарового клапана при работе в условиях высоких входных давлений и низких температур компонентов за счет разделения полости "вход-выход" с полостью рейки и применения в качестве материала для изготовления кольца фторопласта-4.
Манжета установлена на цилиндрическую поверхность переходника дренажа и взаимодействует уплотнительной кромкой с шаровым затвором, это позволяет исключить выдавливание манжеты при высоких входных давлениях в открытом положении клапана.
В закрытом положении шарового клапана канал шарового затвора расположен под углом относительно оси каналов переходников входа и выхода шарового клапана, что позволяет поворачивать шаровой затвор на угол меньше 90° и тем самым уменьшить ход привода для полного открытия клапана, например, что очень существенно при применении в качестве привода электромагнита.
Зазор между переходником входа и шаровым затвором выполнен минимальным. Это обусловлено тем, что использование шарового клапана планируется в условиях высоких давлений, при таких условиях работы уплотнение шарового затвора, выполненное из фторопласта-4, работает за пределом текучести для фторопласта-4 и при большом зазоре под действием предельных давлений может выдавливаться в зазор между переходником входа и шаровым затвором, что повлечет за собой потерю герметичности.
Площадь между внутренним диаметром переходника входа и диаметром уплотнительной кромки кольца выполнена минимальной, что при высоких рабочих давлениях позволяет обеспечить минимальные усилия поджатия уплотнения к шаровому затвору и тем самым снизить момент поворота шарового затвора. Использование шарового клапана планируется в ракетной технике, для его срабатывания необходимо использовать привод, например электромагнит, минимальной массы с минимальным тяговым усилием, при этом по месту уплотнения шарового затвора должна быть обеспечена герметичность.
Зазор между переходником дренажа и шаровым затвором выполнен минимальным аналогично конструктивному исполнению установки переходника входа.
Площадь между большим диаметром кромки манжеты, взаимодействующей с шаровым затвором и цилиндрической поверхностью переходника дренажа, выполнена минимальной аналогично конструктивному исполнению установки переходника входа.
Предлагаемый шаровой клапан представлен на фиг.1-9, где 1 - корпус;
2 - переходник входа;
3 - переходник выхода;
4 - крышка вала;
5 - крышка;
6 - шаровой затвор;
7, 16 - кольцо;
8, 20, 25, 28 - пружины;
9, 10, 18, 19, 21, 27 - опоры;
11, 22, 31 - стопорные кольца;
12 - шарикоподшипники;
13 - упорный шарикоподшипник;
14, 30 - втулка;
15, 34, 35 - регулировочные шайбы;
17 - опорная втулка;
23 - рейка;
24 - шток привода;
26 - манжета;
29 - переходник дренажа;
32 - накидная гайка;
33 - упорное кольцо.
На фиг.1 показан общий вид шарового клапана в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А шарового клапана; на фиг.3 - разрез В-В шарового клапана; на фиг.4-6 - выносные элементы Г, Д, Е; на фиг.7-9 - кольца трапецеидального сечения, поз.7, 16, и манжета, поз.26.
Фиг.1-3 дают общее представление конструкции шарового клапана. Фиг.4-9 подробно показывают некоторые особенности конструкции.
Клапан состоит из корпуса 1, переходников входа и выхода 2, 3, крышки вала 4 и крышки 5. В корпус 1 установлен шаровой затвор 6, взаимодействующий с кольцом 7, которое поджимается опорой 9 с помощью пружины 8, взаимодействующей по торцу с опорой 10, которая фиксируется в проточке корпуса стопорным кольцом 11. В корпусе 1 установлены шарикоподшипники 12 и упорный шарикоподшипник 13. Шарикоподшипники 12 взаимодействуют по внутреннему диаметру с шаровым затвором 6, а по внешнему - с корпусом 1. По торцам шарикоподшипники 12 взаимодействуют с корпусом 1, втулкой 14, крышкой 5 и регулировочными шайбами 15, которые взаимодействуют с корпусом 1. Упорный подшипник одним кольцом по внутреннему диаметру и по торцу взаимодействует с валом шарового затвора, а другим кольцом взаимодействует по внешнему диаметру и торцу с крышкой вала 4, которая по торцу взаимодействует с регулировочными шайбами 15.
Для обеспечения герметичности внутренних полостей агрегата по валу шарового затвора 6 установлено кольцо 16, которое по торцу взаимодействует с корпусом 1, а по внутреннему диаметру взаимодействует с опорной втулкой 17 и валом шарового затвора. По конической поверхности кольцо 16 взаимодействует с опорой 18, которая поджимается опорой 19 и пружиной 20, упирающейся в опору 21, которая взаимодействует со стопорным кольцом 22 установленным в проточку корпуса 1.
На шаровом затворе 6 выполнено зубчатое колесо, которое взаимодействует с рейкой 23. Рейка по торцу взаимодействует со штоком привода 24 и поджимается пружиной 25, взаимодействующей по торцу с регулировочными шайбами 15 для подбора необходимого усилия пружины.
Шаровой затвор 6 взаимодействует с манжетой 26, которая по конической поверхности поджимается опорой 27 и пружиной 28, установленной в штуцер дренажа 29.
Рейка 23 по диаметру взаимодействует со втулкой 30, которая фиксируется в корпусе стопорным кольцом 31. Привод устанавливается с помощью накидной гайки 32 и упорного кольца 33, при этом совмещение штока привода и рейки клапана обеспечивается регулировочными шайбами 34 и 35.
Шаровой клапан работает следующим образом. В исходном положении кольцо 7 плотно прилегает по уплотнительной кромке к шаровому затвору 6, обеспечивая герметичность, при этом проходное сечение по линии переходников "Вход-Выход" закрыто, а проходное сечение по линии переходников "Выход-Дренаж" открыто. При подаче команды на привод шток привода 24 воздействует на подпружиненную рейку 23, которая посредством зубчатого зацепления с шаровым затвором поворачивает шаровой затвор 6, открывая проходное сечение по линии переходников "Вход-Выход", при этом проходное сечение в линию переходника "Дренаж" закрывается. После открытия клапана герметичность по линии переходника "Дренаж" обеспечивается плотным прилеганием кромки манжеты 26 к шаровому затвору 6. При выключении привода под действием пружины 25 рейка возвращается в исходное положение, обеспечивая вращение шарового затвора 6 в обратном направлении, при этом шаровой затвор 6 возвращается в исходное положение и клапан закрывается по линии "Вход-Выход" и открывается по линии "Выход-Дренаж".
Так как использование шарового клапана предполагается в условиях высоких входных давлений, например в ракетной технике, для изготовления деталей используются: стали 12Х18Н10Т, 06Х15Н6МВФБ-Ш, 07Х16Н6; бронза БрБ2; фторопласт-4 для колец, уплотняющих шаровой затвор, и другие материалы.