Двухзапорный клапан
TWO-STOP VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, в частности, к трубопроводной арматуре энергетических установок, характеризующихся сложными условиями эксплуатации с потенциально опасной средой.
Конкретная область применения предполагаемого изобретения - использование в качестве запорного отсечного устройства, размещенного после парогенератора и ообеспечивающего двойное перекрытие проходного сечения паропровода подачи пара в турбину.
Известен клапан (см. авторское свидетельство СССР №1137848, кл. F16K 11/20, 1983 г.), содержащий корпус с седлами и взаимодействующие с ними основной и дополнительный запорные органы, соединенные с коаксиально расположенными штоками, уплотняемыми сальниками и связанными с приводами, обеспечивающими независимое перемещение запорных органов при закрытии и открытии клапана.
Недостатком клапана является нахождение сальниковых уплотнений внутреннего и наружного штоков и уплотнения соединения основного разъема корпуса с коробкой сальника под действием рабочей среды в обоих положениях запорных органов - «закрыто» и «открыто». При этом снижается степень герметичности клапана по отношению к внешней среде и, как следствие, надежность клапана, что особенно нежелательно при аварийном повышении давления потенциально опасной среды в отсеченном паропроводе и действия его на запорные органы, сальниковые уплотнения штоков и уплотнение основного разъема.
Известен клапан, содержащий корпус с седлами и взаимодействующие с ними два запорных органа, управляемые двумя штоками, связанными с комбинированным приводом (см., например, патент US 2009/0094970, кл. F01N 7/00, 2009 г.).
Указанный клапан обеспечивает отсечение аварийной среды повышенных параметров при отключении паропровода со стороны осевого патрубка. Герметичность запорных органов при этом повышается за счет действия перепада давления рабочей среды на запорные органы - используется эффект самоуплотнения. Однако, степень герметичности при этом снижается из-за цельного (единой деталью) изготовления запорных органов со штоками, что ограничивает свободу установки запорных органов относительно уплотнительных седел корпуса.
Постоянное нахождение сальниковых уплотнений обоих штоков под действием давления рабочей среды остается, что снижает герметичность клапана относительно внешней среды и, как следствие, уменьшает надежность работы клапана.
Известен двухзапорный клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для прохода транспортируемой среды и двумя уплотнительными седлами, взаимодействующие с последними основной и дополнительный запорные органы, кинематически связанные с коаксиально расположенными штоками и их независимыми приводами (см. патент RU 2711797 С1, кл. F16K 11/10,2019 г.).
Известный клапан обеспечивает герметичность запорных органов при повышении давления рабочей среды в аварийных условиях при положении «закрыто» за счет эффекта самоуплотнения.
В указанном клапане обеспечивается самоустановка запорных органов относительно уплотнительных седел корпуса за счет кинематически развязанного соединения запорных органов со штоками, что обеспечивает герметичность клапана по уплотнениям запорных органов с уплотнительными седлами корпуса. В основном запорном органе двухзапорного клапана на упорной головке наружного штока выполнен элемент разгрузки, позволяющий снизить воздействие давления рабочей среды в момент открытия клапана.
Однако, постоянное воздействие давления рабочей среды на сальниковые уплотнения основного и дополнительного штоков остается, что снижает надежность работы двухзапорного клапана.
Технической задачей является создание клапана двухзапорного, позволяющего исключить непосредственное (прямое) воздействие давления рабочей среды на сальниковые уплотнения наружного и внутреннего штоков.
Решение поставленной задачи позволяет повысить герметичность клапана относительно внешней среды, а, следовательно, повысить надежность работы двухзапорного клапана.
Указанная задача решается за счет того, что двухзапорный клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, основной и дополнительный запорные органы, взаимодействующие с соосными уплотнительными седлами корпуса и кинематически связанные с приводами, обеспечивающими независимое перемещение запорных органов через коаксиально расположенные внутренний и наружный штоки, снабженные сальниковым уплотнением и упорной головкой, снабжен дополнительными уплотнительными элементами, дублирующими сальниковые уплотнения, а именно, в верхней части наружного штока установлен герметизирующий элемент в виде, например, сильфона, верхний конец которого жестко и герметично закреплен на корпусе, а нижний конец - на наружном штоке с возможностью совместного перемещения с последним, а на нижнем конце упорной головки наружного штока выполнен уплотнительный поясок, взаимодействующий с уплотнительным седлом, расположенным на внутренней поверхности дополнительного запорного органа.
Наружный шток выполнен с возможностью обеспечения полного рабочего хода основного запорного органа, вычисляемого по формуле.
Между корпусом и верхним концом герметизирующего элемента наружного штока может быть установлена промежуточная втулка.
Предложенная конструкция двухзапорного клапана позволяет повысить надежность работы клапана за счет улучшения герметичности и полного исключения воздействия рабочей среды на сальниковые уплотнения наружного и внутреннего штоков путем использования дублирующих уплотнительных элементов.
Установка герметизирующего элемента, например сильфона, в верхней части наружного штока исключает воздействие рабочей среды на сальниковое уплотнение по наружному штоку основного запорного органа.
Выполнение уплотнительного пояска на упорной головке наружного штока, взаимодействующего с уплотнительным седлом дополнительного запорного органа, исключает воздействие рабочей среды на сальниковое уплотнение по внутреннему штоку.
Расчет соотношения между рабочими ходами запорных органов позволяет обеспечить более точную установку элементов конструкции клапана, что способствует улучшению герметичности затворов.
Предлагаемый двухзапорный клапан представлен на чертежах, где:
на фигуре 1 - продольный разрез клапана в положении - «открыто»;
на фигуре 2 - положение основного запорного органа - «закрыто», положение дополнительного запорного органа - «открыто»;
на фигуре 3 - положение дополнительного запорного органа - «открыто», положение основного запорного органа - «закрыто» с положением упорной головки наружного штока - «открыто»;
на фигуре 4 - положение клапана - «закрыто».
Двухзапорный клапан содержит корпус 1 с входными и выходными патрубками и двумя уплотнительными седлами 2 и 3, основной 4 и дополнительный 5 запорные органы, соединенные с коаксиально расположенными внутренним 6 и наружным 7 штоками, управляемыми независимыми приводами (на чертежах не показаны).
Основной 4 и дополнительный 5 запорные органы, контактирующие с соответствующими уплотнительными седлами 2 и 3 корпуса 1, предназначены для двойного перекрытия потока рабочей среды. Основной запорный орган 4 соединен с наружным штоком 7, внутри которого расположен внутренний шток 6, на котором закреплен дополнительный запорный орган 5.
Между уплотнительными седлами 2 и 3 корпуса 1 образована полость 8, предназначенная для сбора возможных протечек и, при необходимости, ее сброса.
Внутренний 6 и наружный 7 штоки снабжены упорными головками 9 и 10 соответственно и герметизированы сальниками 11 и 12. Клапан снабжен дополнительными уплотнительными элементами, дублирующими сальниковые уплотнения 11 и 12, и защищающие их от действия рабочей среды. В верхней части наружного штока 7 установлен герметизирующий элемент 13, например, сильфон. Верхний конец сильфона 13 жестко и герметично закреплен на корпусе 1, а нижний конец закреплен на наружном штоке 7 с возможностью перемещения совместно с ним относительно корпуса 1. Верхний конец сильфона 13 может быть закреплен на корпусе 1 через промежуточную втулку 14, установленную в выступ корпуса1и герметизированную уплотнительным элементом 15.
Уплотнительный поясок 16, выполненный в верхней части упорной головки 10, и контактирующее с ним уплотнительное седло 17 предназначены для совместного использования при сбросе давления рабочей среды, выполняя роль разгрузочного механизма.
На упорной головке 10 наружного штока 7 дополнительно размещен уплотнительный поясок 18, контактирующий с уплотнительным седлом 19, выполненным во внутренней полости дополнительного запорного органа 5.
На наружной стороне упорной головки 10 расположена пружина 20, обеспечивающая поджатие основного запорного органа 4 к упорной головке 10 в положении «открыто», исключая его вибрацию в потоке рабочей среды.
Двухзапорный клапан работает следующим образом.
1
При нормальной работе энергетической установки оба запорных органа 4 и 5 двухзапорного клапана находятся в положении «открыто», рабочая среда проходит через проточную часть клапана (см. фиг. 1). Основной запорный орган 4 открыт на величину полного рабочего хода h, дополнительный запорный орган 5 открыт на величину рабочего хода h.
Герметичность клапана по отношению к внешней среде при этом обеспечивается: по наружному штоку 7 - герметизирующим элементом 13 и сальником 12, по внутреннему штоку 6 - уплотнительным элементом взаимодействия уплотнительного пояска 18 упорной головки 10 наружного штока 7 и уплотнительного седла 19 дополнительного запорного органа 5 и сальником 11. Основной запорный орган 4 поджат пружиной 20 к упорной головке 10.
При необходимости перекрытия проходного сечения клапана основным запорным органом 4 усилие от наружного штока 7 передается через упорную головку 10 на основной запорный орган 4, перемещая его до упора в уплотнительное седло 2 корпуса 1 на величину полного рабочего хода h (см. фиг. 2).
2
Если по условиям эксплуатации потребуется основной запорный орган 4 открыть, то при перемещении наружного штока 7 открывается проходное сечение между уплотнительным пояском 16 упорной головки 10 и уплотнительным седлом 17 основного запорного органа 4 на величину рабочего хода h (см. фиг. 3), при этом снижается перепад давления рабочей среды на основном запорном органе 4 и при дальнейшем перемещении наружного штока 7 открывается проходное сечение проточной части клапана.
При подтверждении аварийной разгерметизации системы первого контура по отношению к системе второго контура при закрытом основном запорном органе 4 (см. фиг. 2) при перемещении внутреннего штока 6 закрывается дополнительный запорный орган 5 с совершением рабочего хода hi до упора в уплотнительное седло 3 корпуса 1 (см. фиг. 4).
3
2
Между нижним уплотнительным пояском 18 упорной головки 10 наружного штока 7 и уплотнительным седлом 19 дополнительного запорного органа 5 установлен зазор h, выполненный больше, чем рабочий ход h упорной головки 10 по отношению к основному запорному органу 4.
Полный рабочий ход основного запорного органа 4 вычисляется по формуле:
1
3
h=h+h,
1
3
где: h - полный рабочий ход основного запорного органа 4; h - рабочий ход дополнительного запорного органа 5; h - зазор между нижним уплотнительным пояском 18 упорной головки 10 и уплотнительным седлом 19 дополнительного запорного органа 5 (в положении «закрыто»). Расчет полного рабочего хода h основного запорного органа 4 по указанной формуле позволяет обеспечить точность установки уплотнительных элементов запорных органов 4 и 5 между собой и корпусом 1, что способствует повышению герметичности затворов.
За счет использования дополнительного уплотнения сильфоном 13 наружного штока 7 при управлении основным запорным органом 4 в положениях «закрыто» и «открыто» и дополнительного уплотнения внутреннего штока 6 при управлении дополнительным запорным органом 5 в положении «открыто» обеспечивается повышение степени герметичности внутренней полости корпуса 1 относительно внешней среды, что особенно важно при использовании изобретения в энергетических установках с потенциально опасной средой, позволяя повысить надежность работы двухзапорного клапана в целом.