Клапан регулирующий угловой клеточного типа (варианты)
ANGLE CONTROL VALVE OF CELL TYPE (OPTIONS)

Предлагаемое изобретение относится к запорно-регулирующим устройствам, и предназначен для ручного регулирования расхода (давления) рабочей среды путем изменения проходного сечения, в трубопроводе.
Наиболее близким источником является патент РФ №192418 от 11.05.2016, в котором раскрыт клапан регулирующий угловой клеточного типа, включающий корпус, входной и выходной каналы корпуса, расположенные под углом 90°, втулку клеточную установленную в месте пересечения каналов, плунжер, установленный во втулке клеточной и выполненный с возможностью перекрывать каналы, крышку, с размещёнными в ней штоком со шкалой и герметично уплотненным в ней и штурвал, поворотом которого смещается шток и соединенный с ним плунжер, отличающийся тем, что входной канал корпуса выполнен в виде отдельной входной крышки, присоединяемой к корпусу, в крышке корпуса установлен клапан спускной  для сброса избыточного давления из корпуса клапана и клапан спускной для сброса избыточного давления из узла уплотнения штока и, по меньшей мере, один клапан обратный для подачи пасты уплотнительной в узел уплотнения штока.
Недостатком данного клапана являются:
- достаточно короткий срок службы деталей запорно-регулирующей части клапана по причине высоких перепадов давления, наличия в среде большого количества абразивных составляющих и парафинов, а также  высоких скоростей потока среды;
-эрозия, шум, вибрация;
-невозможность плавного регулирования потока среды по причине очень высоких давлений среды в скважинах и, как следствие, высоких перепадов давлений во входном отверстии и после запорно-регулирующей части клапана на выходе из устройства.
Технический результат – повышение надежности, уменьшение шумов и вибрации, при одновременной возможности плавного регулирования потока среды.
По первому варианту клапан регулирующий угловой клеточного типа включает:
корпус, входной и выходной каналы корпуса, расположенные под углом 90°, втулку клеточную установленную в месте пересечения каналов, плунжер, установленный во втулке клеточной и выполненный с возможностью перекрывать каналы, крышку, с герметично размещённым в ней приводом, осуществляющим движение плунжера. При этом втулка клеточная выполнена в виде набора дисков с извилистыми каналами, установлена в полости места пересечения каналов и герметично фиксируется крышкой к седлу, расположенному в корпусе, а диски втулки клеточной вместе образуют набор каналов, осуществляющих перевод жидкости из входного канала корпуса внутрь дисков и в выходной канал корпуса.
Привод, осуществляющий движение плунжера выполнен в виде штурвала со штоком, поворотом которого смещается шток и соединенный с ним плунжер.
Извилистый канал предпочтительно должен состоять из двух, или четырех, или шести поворотов под углом 90°, но может выполнятся и под другими углами и с разным количеством поворотов, которое выполняется в зависимости от необходимости снижения давления. При этом повороты в канале могут осуществляться в вертикальной и/или горизонтальной плоскости диска. Входные и выходные отверстия извилистых каналов желательно располагать равномерно по боковой поверхности диска.
Кроме того, размер входных и выходных отверстий извилистых каналов для разных дисков может быть одинаковый или разный.
Диски с извилистыми каналами предпочтительно выполнять из сплава с высокой твёрдостью.
По второму варианту клапан регулирующий угловой клеточного типа включает:
корпус, входной и выходной каналы корпуса, расположенные под углом 90°, втулку клеточную установленную в месте пересечения каналов, плунжер, установленный во втулке клеточной и выполненный с возможностью перекрывать каналы, крышку, с герметично размещённым в ней приводом, осуществляющим движение плунжера. При этом втулка клеточная выполнена в виде одного диска со сквозными радиальными отверстиями и набора дисков с извилистыми каналами, установлена в полости места пересечения каналов и герметично фиксируется крышкой к седлу, расположенному в корпусе, а диски втулки клеточной вместе образуют набор каналов, осуществляющих перевод вещества из входного канала корпуса внутрь дисков и в выходной канал корпуса.
Также привод, осуществляющий движение плунжера может быть выполнен в виде штурвала со штоком, поворотом которого смещается шток и соединенный с ним плунжер.
Извилистый канал предпочтительно должен состоять из двух, или четырех, или шести поворотов под углом 90°, но может выполнятся и под другими углами и с разным количеством поворотов, которое выполняется в зависимости от необходимости снижения давления. При этом повороты в канале могут осуществляться в вертикальной и/или горизонтальной плоскости диска. Входные и выходные отверстия извилистых каналов желательно располагать равномерно по боковой поверхности диска.
Размер входных и выходных отверстий извилистых каналов для разных дисков может быть одинаковый или разный.
Диски предпочтительно выполнять из сплава с высокой твёрдостью.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами  Фиг.1-7,  где
на фиг.1 показан общий вид в разрезе предлагаемого клапана,
на фиг.2 показаны основные элементы по первому варианту: втулка клеточная, седло и плунжер,
на фиг.3 показана схема движения потоков в извилистых каналах диска предлагаемого клапана,
на фиг.4 показана возможность выполнения сложного извилистого канала диска предлагаемого клапана,
на фиг.5 показана втулка, выполненная в виде одного диска со сквозными радиальными отверстиями и набора дисков с извилистыми каналами по второму варианту одинакового диаметра,
на фиг.6 показана втулка, выполненная в виде одного диска со сквозными радиальными отверстиями и набора дисков с извилистыми каналами по второму варианту разного диаметра,
на фиг.7 показана втулка, выполненная в виде набора дисков с извилистыми каналами по первому варианту.
На фигурах позициями обозначены следующие детали.
1 – корпус,
2 – седло,
3 – втулка клеточная,
4 – плунжер,
5 – шток,
6 – входной канал корпуса,
7 – крышка,
8 – диски клетки тоннельной,
9 – штурвал.
Предлагаемый клапан включает в себя корпус 1, в котором установлены: седло 2, втулка клеточная 3 из твердого сплава, плунжер 4. Сверху на корпус 1 гайками крепится крышка 7, с установленным в ней штоком 5, и узлами уплотнения (на фигурах не показаны), которая также прижимают втулку клеточную 3 к седлу 2. Во внутреннее отверстие втулки клеточной 3 установлен плунжер 4 со штоком 5, который соединен непосредственно со штурвалом 9. Фиксированное (неподвижное) положение всех запорно-регулирующих элементов клапана при перемещении плунжера 4 из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение обеспечивается установкой и креплением в верхней части корпуса крышки 7.
Принцип работы.
Регулирование параметров рабочей среды осуществляется путём изменения площади проходных сечений профильных отверстий во втулке клеточной 3, при перемещении плунжера 4 относительно втулки клеточной 2.
Приведение клапана в действие осуществляется приводом, привод может быть электрический или ручной.
В простейшем случае ручной привод включает: штурвал 9, шток 5 и плунжер 4. Шток 5 соединен с плунжером 4 и связан с винтом привода посредством указателя. Вращение штурвала привода вызывает движение плунжера 4:
- при вращении штурвала привода по часовой стрелке шток 5 с плунжером 4 перемещается вниз и клапан закрывается;
- при вращении штурвала привода против часовой стрелки шток 5 с плунжером 4 перемещается вверх и клапан открывается.
При всем этом для достижения результата по плавному управлению потоком транспортируемой среды предлагаются совершенно новые варианты конструктивного исполнения регулирующего элемента – клетки тоннельной лабиринтной.
Набор дисков из твердосплавного материала или нержавеющей стали объединенных в клетку 3 (фиг.2-3) регулирует скорости потока через затвор клапана, заставляя технологическую среду следовать по извилистой траектории (показано стрелками на фиг.3) с поворотами под углом. Сопротивление потоку, обеспечиваемое этими поворотами (или ступенями), ограничивает скорость на выходе из дроссельной пары («клетка-плунжер») до безопасного уровня, независимо от падения (перепада) давления.
На фиг.4 схематично показано - как при соединении двух дисков может образовываться извилистый канал (многоступенчатый тоннель) с входным каналом А (расположенного на наружной поверхности соединенных дисков) и выходным каналом В (расположенного на внутренней поверхности соединенных дисков). Количество поворотов извилистых каналов, а также количество самих каналов в клетке тоннельной лабиринтной зависит от требований заказчика данного вида продукции по пропускной способности клапана, данных о составе среды, давлению в скважине и пр.
Описание принципа регулирования потока при помощи «клетки» состоящей из набора дисков, выполненных из твердосплавного материала высокой твердости с извилистым каналом для «Газовых и жидких сред»
Каждый поворот потока под углом - является ступенью снижения давления. Большие расширяющиеся и сужающиеся проточные каналы позволяют песку и парафину беспрепятственно проходить через лабиринты клетки, причем на выходе из клапана достигаются необходимые давление среды и скорость потока.
Давление среды и скорость потока могут эффективно контролироваться на протяжении всего перемещения сквозь клапан. Втулка клеточная с множеством извилистых каналов разрезает поток на несколько составляющих, создавая все условия для как можно большего уменьшения его скорости. Каждый канал состоит из расчетного количества поворотов, которые образуют лабиринтный канал. В процессе работы каждый поворот лабиринта снижает скорость транспортируемой среды до определенной степени.
Для газовых сред, учитывая адиабатическое поведение транспортируемой среды, отличительной особенностью являются размеры входного отверстия в лабиринт и выходного отверстия из лабиринта, и геометрией проточных каналов позволяющих газовому потоку расшириться и снизить скорость перед заходом на следующую ступень (поворот) тоннеля.  Данные размеры при подаче среды на затвор (клетку/ плунжер) отличаются и входное отверстие меньше выходного отверстия с учетом прохода среды через «лабиринт», который в свою очередь представлен каналами, которые изменяют направление течения среды, поэтапно расширяются к точке выхода из «клетки».  Конструктивное исполнение и размеры лабиринтов являются расчётными величинами и подбираются исходя из конкретных параметров согласно ТЗ при учете состава среды, перепада давления, расхода по газу, жидкости (для многофазной среды с преобладающей газовой фракцией).
Для жидких сред, учитывая свойство «не сжимаемости жидкости», размер входного канала обратно пропорционален конструкции «клетки», применяемой для «Газовых сред» т.е. размер входного отверстия больше размера выходного отверстия с учетом прохода среды через «лабиринт». Данные параметры являются расчётными величинами и подбираются исходя из конкретных параметров согласно ТЗ при учете состава среды, перепада давления, расхода по жидкости, газу (для многофазной среды с преобладающей жидкостной фракцией).
В зависимости от требований эксплуатационных организаций на поставку клапанов, которые устанавливаются, как правило непосредственно на скважине, с определенным составом среды, регламентированным перепадом давлений, пропускной способностью и пр. применяются несколько вариантов исполнения клетки тоннельной лабиринтной:
Вариант 2 (фиг.5) – клетка тоннельная лабиринтная гибридная, состоящая из дисков тоннельных лабиринтных (с выходными тоннельными отверстиями D) для эффективного «тонкого» регулирования среды и верхнего диска с отверстиями С для прохода среды при полном открытии клапана с малой пропускной способностью.
Данный вариант конструкции позволяет охватить полный диапазон расходов, что полностью охватывает весь период жизни скважины от момента запуска и выхода на режим, что отмечается максимальным перепадом и минимальным расходом, до истощения скважины.
Другой вариант 2 (фиг.6) – когда втулка клеточная, состоящая из набора дисков тоннельных (с выходными тоннельными отверстиями D) для эффективного «тонкого» регулирования среды и верхнего диска с отверстиями С для прохода среды  при полном открытии клапана с максимальной пропускной способностью.
Данный вариант большой пропускной способности, состоит из клетки, которая необходима для достижения максимальных значений по Кву (полнопроходность). В верхней части клетка представлена в виде пазов С и дисков которые образуют лабиринты с выходными отверстиями D для регулирования на низких уровнях Кву при больших перепадах давления).
Вариант 1 (фиг.7) – клетка тоннельная лабиринтная, состоящая полностью из набора дисков с извилистыми каналами, которые в свою очередь образуют клетку и лабиринты внутри нее (с выходными тоннельными отверстиями D) для эффективного «тонкого» регулирования среды с полным контролем скорости потока. Лабиринтные каналы, а также входные и выходные отверстия представлены квадратным сечением. Квадратное сечение каналов обеспечивает большую проходимость чем круглое сечение по площади прохода, что положительно сказывается на проходе механической примеси проходящей через клетку.
Данный вариант предназначен для регулирования как газовых, так и газожидкостных сред с постоянными большими перепадами.
Основные особенности применения втулки клеточной с извилистыми каналами
1. Клетка с извилистыми каналами в данном конструктивном исполнении устраняет проблемы, возникающие из-за высоких скоростей среды в том числе:
- эрозия клетки 3 плунжера 4 и корпуса 1,
- шум, вибрация,
- плохой контроль процесса,
2. Скорость среды при прохождении через клетку с извилистыми каналами за счет ее тоннельно-лабиринтной конструкции минимизирована и составляет 25%-30% от скорости обычных одноступенчатых дросселей, что обеспечивает устранение недостатков по п.1.
3. Контроль скорости при помощи выше озвученного принципа многократно увеличивает срок службы клапанов с установленными в них тоннельными лабиринтными клетками, практически полностью охватывают весь период жизни скважины от момента запуска и выхода на режим до истощения скважины.