УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ УРАВНИТЕЛЬНЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
IMPROVED EQUALIZING CONTROL VALVE

[0001] Настоящее изобретение относится к регулирующим клапанам и уравнительным клапанам, обычно используемым в жидкостных системах для отслеживания и регулирования расхода текучей среды и обеспечения относительно устойчивого протекания текучей среды через систему. В настоящем изобретении предложен регулирующий клапан, содержащий новаторскую встроенную конструкцию уравнительного механизма, которая обеспечивает улучшение рабочих характеристик жидкостной системы при использовании встроенного в нее усовершенствованного клапана.
[0002] В сетях текучей среды обычно распределяют текучую среду от источника по меньшей мере к одной точке потребления (нагрузки). Для подачи точного количества текучей среды при изменяющемся спросе обычно используют по меньшей мере один регулирующий клапан. Такие регулирующие клапаны отвечают на управляющий сигнал для осуществления изменяемого дросселирования в системе для подачи соответствующего количества текучей среды к каждой нагрузке. Например, термостат может формировать управляющий сигнал, на который клапан отвечает изменением степени нагревания или охлаждения текучей среды, протекающей через теплообменник. Если такие регулирующие клапаны выбраны с максимальным отверстием, т.е. с подачей текучей среды в количестве, превышающем максимально необходимое для потребителя, то указанными клапанами необходимо управлять и часто закрывать совсем. Такое частое закрывание приводит к нестабильному управлению, поскольку положение регулирующего клапана изменяется от открытого до закрытого, вместо того, чтобы оставаться на одном месте. Наоборот, если выбран клапан со слишком малым максимальным отверстием, потребуется чрезмерная, питающая насосы энергия для компенсации излишних падений давления, возникающих в системе. Указанная проблема осложнена тем обстоятельством, что регулирующие клапаны обычно поставляются только с фиксированными типоразмерами, в результате чего пользователь вынужден выбирать из двух зол меньшее.
[0003] Такие системы также обычно имеют различные величины избыточного давления в различных нагрузках. Обычный регулирующий клапан не обеспечивает средств ни для считывания расхода текучей среды, ни для ручной регулировки своего максимального отверстия, что обычно приводит к неточной работе регулирующего клапана. Не смотря на то, что теоретически величина избыточного давления может быть вычислена, практически вычисления часто не выполняют по причине их сложности или неточности результатов из-за различий в конструкции. Указанный недостаток часто устраняют путем установки уравнительных клапанов, которые обеспечивают калиброванное регулируемое дросселирование и средства для измерения расхода. Затем уравнительное устройство используется для регулирования указанных уравнительных клапанов по всей системе таким образом, что в условиях максимального потока все потребители принимают достаточное количество текучей среды без излишков.
[0004] Недостаток используемого оборудования состоит в том, что дросселирование, созданное уравнительным клапаном, не учитывается регулирующим клапаном, так что часть рабочего хода регулирующего клапана не используется.
[0005] Некоторые известные устройства объединяют функцию регулирующего клапана и уравнительного клапана в один блок, обеспечивающий улучшенные рабочие характеристики. При осуществлении функций управления и балансирования в одиночном устройстве могут быть достигнуты улучшенные характеристики управления, приспособленные к конкретным условиям данного потребителя.
[0006] Согласно настоящему изобретению предложен регулирующий клапан со встроенным уравнительным компонентом, который преодолевает проблемы уровня техники.
[0007] Согласно настоящему изобретению предложен комбинированный уравнительный и регулирующий клапан, выполненный с возможностью его использования в жидкостной системе, содержащий камеру, охватывающую затвор, посадочное место и регулировочные средства для регулирования разделяющего промежутка между затвором и посадочным местом, а также отслеживающие средства для отслеживания расхода текучей среды через указанный разделяющий промежуток, причем комбинированный уравнительный и регулирующий клапан отличается тем, что указанные регулировочные средства содержат средства для преобразования перемещения, приводимые в действие исполнительно-приводным устройством, для управления перемещением затвора клапана и, следовательно, для обеспечения предпочтительного изменения пропускной способности клапана для данного изменения положения исполнительно-приводного устройства, при этом исполнительно-приводное устройство калибровано с приращениями, которые соответствуют нарастающим изменениям пропускной способности клапана.
[0008] Регулирование, необходимое для уравнивания схем, достигается ограничением максимального открывания регулирующего клапана с использованием калиброванной шкалы, которая обеспечивает известное дросселирование при любой конкретной установке. Считывание расхода, необходимое для уравнивания схем, достигнуто считыванием перепада давления на дросселировании клапана. Согласно одному предпочтительному варианту реализации регулировочные средства содержат калибрующие средства, имеющие шкалу, видимую за пределами камеры, и регулирующие максимально возможный разделяющий промежуток между затвором и посадочным местом в приращениях, соответствующих единицам, указанным на шкале. После уравнительной процедуры исполнительно-приводное устройство может изменять пропускную способность клапана на любое соответствующее значение между соответствующим закрытому положению клапана и заданным максимальным значением в ответ на сигнал дистанционного управления.
[0009] Согласно предпочтительным вариантам реализации калибрующие средства беспрепятственно проходят из камеры в форме стержня, имеющего линейную шкалу, нанесенную вдоль его длины, и линейное перемещение стержня преобразуется в перемещение одного или обоих посадочного места клапана и затвора для регулирования разделяющего промежутка между посадочным местом и затвором, величина которого соответствует расстоянию перемещения стержня согласно линейной шкале.
[0010] Согласно одному варианту реализации стержень окружен винтовой втулкой, ограничивающей его перемещение, которая взаимодействует с дополняющей резьбой, фиксированной относительно камеры, и своим вращением вызывает линейное перемещение. Согласно другому варианту реализации вращение втулки может быть ограничено, и она может взаимодействовать с гайкой, которая зафиксирована относительно корпуса в поступательном направлении. Согласно любому варианту реализации шкала может быть размещена по окружности поворачивающегося элемента в дополнение к вышеуказанной линейной шкале (например, для точного регулирования) или в качестве единственной шкалы.
[0011] Согласно одному варианту реализации затвор клапана и посадочное место выровнены вдоль оси, совпадающей с предполагаемым направлением потока текучей среды в системе. При осевом расположении текучая среда протекает в клапан и из клапана вдоль одной оси, и клапан имеет затвор, ось которой проходит вдоль той же оси. Такая конструкция способствует снижению турбулентности и, следовательно, уменьшению шума по сравнению с конструкциями, в которых поток текучей среды чрезмерно изменяет свое направление. Такая конструкция также обеспечивает возможность создания более компактного клапана по сравнению с другими конструкциями.
[0012] Согласно одному предпочтительному варианту реализации калиброванный стержень, проходящий в камеру, имеет зубчатую часть, которая взаимодействует с частью зубчатой рейки стержня, который взаимодействует с шестерней, которая в свою очередь закреплена на кулачковом диске, содержащем кулачковую направляющую кулачкового механизма, причем указанный кулачковый диск выполнен с возможностью поворота вместе с шестерней и тем самым инициирует перемещение кулачкового следящего элемента, при этом кулачковый механизм выполнен с возможностью регулирования разделяющего промежутка между затвором и посадочным местом. Кулачковый следящий элемент прикреплен к тяговому валу, к которому в свою очередь прикреплены посадочное место или затвор, выполненные таким образом, что при перемещении кулачкового следящего элемента в кулачковой направляющей, выполненной в кулачковом диске, происходит осевое перемещение тягового вала, таким образом, регулирующее разделяющий промежуток между затвором и посадочным местом.
[0013] Форма кулачка выбрана для преобразования равномерного прямолинейного перемещения исполнительно-приводного устройства в предпочтительное перемещение затвора, и таким образом обеспечивается предпочтительное изменение пропускной способности клапана в ответ на управляющий сигнал. Например, кулачок может иметь конструкцию, при которой открывание клапана компенсирует выходную характеристику теплообменного устройства и таким образом формирует приближенное к линейному отношение между управляющим сигналом и теплопередачей. Такие линейные отношения между управляющим сигналом и желательной управляемой переменной иногда называются постоянным усилением и являются предпочтительными для систем управления. Перемещение кулачка также может обеспечить выигрыш в силе для исполнительно-приводного устройства при перемещении затвора во время его приближения к своему закрытому положению и таким образом позволяет уменьшить мощность, необходимую для приведения в действие исполнительно-приводного устройства.
[0014] Предпочтительно затвор и посадочное место выполнены с возможностью обеспечения пропускной способности для текучей среды, которая приблизительно пропорциональна перемещению затвора. Кроме того, перепад давления на затворе частично компенсирован, в результате чего дополнительно уменьшена необходимая мощность исполнительно-приводного устройства.
[0015] Согласно одному варианту реализации осевому перемещению затвора относительно посадочного места препятствует смещающая пружина, которая может действовать в направлениях смещения клапана в открытое положение или закрытое положение. Предпочтительно смещающая пружина действует в направлении открывания клапана, что препятствует вибрации.
[0016] Обычно в регулирующих клапанах используется линейное перемещение затвора под давлением системы для перевода клапана в открытое положение в результате перепада давлений между внутренней частью клапана и наружным местом, где размещено исполнительно-приводное устройство. Таким образом, для дополнительного усовершенствования описанного выше изобретения эта проблема может быть решена путем использования двух тяговых валов, имеющих равные диаметры, выполненных с возможностью одновременного осевого перемещения в противоположных направлениях между двумя областями различного давления.
[0017] Как указано выше, согласно некоторым вариантам реализации может быть использована по меньшей мере одна пружина для создания смещающей силы, действующей на клапан в направлении его открытого положения или в направлении его закрытого положения. В таких случаях уравнивание разности давлений может быть дополнительно осуществлено для создания "смещающей силы", действующей в том же направлении.
[0018] Ниже в качестве примера описан предпочтительный вариант реализации изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг.1 показан частичный разрез вида сбоку клапана согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 показан частичный разрез вида сверху клапана, показанного на фиг.1.
На фиг.3 показан разрез клапана в частично перемещенном положении.
На фиг.4 показан наружный вид сбоку клапана с установленным на нем электромеханическим исполнительно-приводным устройством.
[0019] Клапан, показанный на фиг.1, в целом содержит корпус (14, 17), который образует камеру, в которой расположены затвор (6, 10, 15, 16) и посадочное место (13) в осевом совмещении вдоль направления потока текучей среды, протекающей в жидкостной системе. Затвор (6, 10, 15, 16) размещен на тяговом валу (24), ось которого проходит через центр затвора (6, 10, 15, 16). На тяговом валу (24) также размещен узел (23, 25) кулачкового следящего элемента. Калибрующие средства выполнены в виде узла (1, 2, 29, 30 и 31), взаимодействующего со стержнем (28), который проходит через герметичную входную камеру и выполнен с возможностью свободного скользящего перемещения в осевом направлении посредством подшипников, установленных во входном отверстии. Указанный стержень выполнен с возможностью соединения с электромеханическими или иным образом управляемыми приводными средствами. Ограничивающий калиброванный рабочий ход механизм (1, 2, 28, 29, 30, 31) используется для регулирования максимального открывания клапана во время уравнительной процедуры.
[0020] Стержень (28) проходит в камеру в направлении, перпендикулярном перемещению затвора и параллельном поверхности затвора (6, 10, 15, 16) в форме зубчатой части. Зубчатая часть взаимодействует с ведущей шестерней (21), которая прочно соединена посредством штифтов (26) с кулачковым диском, содержащим направляющую (20) для кулачкового следящего элемента (23). Кулачковый следящий элемент (23) прочно соединен с тяговым валом (24), и ведущая шестерня (21) проходит через щелевое отверстие в тяговом валу (24) без помехи его аксиальному перемещению. При перемещении стержня в осевом направлении ведущая шестерня (21), взаимодействующая с зубцами стержня (28), принуждена к вращению, и вместе с ней поворачивается кулачковый диск. При вращении кулачкового диска кулачковый следящий элемент (23) принужден перемещаться в направляющей (20) и таким образом перемещать тяговый вал (24). Перемещение тягового вала (24) в любом направлении за исключением осевого направления ограничено корпусом (14, 17), взаимодействием ведущей шестерни (21) в щелевом отверстии тягового вала (24) и другими компонентами. Затвор (6, 10, 15, 16), установленный на тяговом валу (24), также принужден перемещаться в осевом направлении и таким образом регулировать разделяющий промежуток между затвором (6, 10, 15, 16) и посадочным местом (13). Расстояние, на которое перемещается затвор, измеряется шкалой, нанесенной на участок стержня, который проходит из камеры. Расстояние перемещения стержня вдоль шкалы соответствует расчетному расстоянию перемещения затвора (6, 10, 15, 16). Гладкому перемещению тягового вала (24) способствуют подшипники (12, 18, 19) зубчатой рейки, которые удерживают часть зубчатой рейки в контакте с ведущей шестерней без помехи ее линейному перемещению.
[0021] Непосредственно позади затвора (6, 10, 15, 16), охватывающего тяговый вал (24), размещена пружина (4). Пружина (4) находится в сжатом положении и прикладывает к затвору (6, 10, 15, 16) силу, действующую в направлении от посадочного места (13).
[0022] Камера сформирована между затвором (16) и закрывающей пластиной (11) и соединена серией каналов со стратегически расположенными точками выше (по ходу потока) затвора (16). Давление в указанной камере частично компенсирует разность давления на клапане для уменьшения исполнительно-приводной силы, необходимой для перемещения затвора.
[0023] Передняя и задняя опорные плиты (5, 22) изолируют текучую среду, разделенную от воздуха в камере, вокруг тягового вала (24) в противоположных концах. Диаметр тягового вала (24) в участках, проходящих через каждую из опорных плит (5, 22), является одинаковым.
[0024] Как показано на фиг.2, ведущая шестерня (21) установлена на подшипнике (34) стержня, и подшипники (36, 37) кулачкового следящего элемента способствуют плавному перемещению кулачкового следящего элемента (23). Посредством штифтов (39) и смещающей пружины (33) положение кулачкового диска относительно кулачкового следящего элемента (23) смещается таким образом, что вызывает возврат кулачкового следящего элемента (23) в его положение, как показано на фиг.1, и следовательно препятствует рабочему ходу стержня в нижнем направлении.
[0025] Перепад давлений на клапане отслеживается с использованием отверстий (42, 43), расположенных на противоположных сторонах камеры. Шкала, используемая на калибрующих средствах (1, 2, 29, 30 и 31), выбрана для коррелирования со шкалой, используемой для отслеживания перепада давления, так что расход может быть определен на основании указанных двух считываний.
[0026] На фиг.3 показаны две интересующие области, отмеченные штриховкой: компенсационная камера (40) для компенсации давления и связанные с ней каналы, которые соединяют ее с расположенной выше по ходу потока областью камеры. Расположение каналов выбрано таким образом, чтобы свести к минимуму силу, приложенную к исполнительно-приводному устройству, с одновременным поддержанием устойчивости. Камера (41) механизма отделена от текучей среды и соединена с атмосферой за пределами камеры.
[0027] При использовании максимальный рабочий поток первоначально действует на клапан, и с использованием комбинации калибровочной шкалы и измеренного перепада давлений при данном расходе определяют оптимальный максимальный разделяющий промежуток между затвором и посадочным местом, и клапан может быть отрегулирован в соответствии с указанным оптимальным значением максимального разделяющего промежутка. После чего управляемые приводные средства могут работать с исполнительно-приводным устройством для перемещения клапана между закрытым положением и оптимальным максимальным открытым положением при обычной работе клапана в ответ на сигнал дистанционного управления.
[0028] В следующей таблице перечислены компоненты, обозначенные ссылочными номерами на фиг.1, 2 и 3.
[0028] В следующей таблице перечислены компоненты, обозначенные ссылочными номерами на фиг.1, 2 и 3.
Ссылочный номер:
Название компонента
Примечания
1, 2
Установка ограничителя хода
Используется для задания максимального потока.
4
Смещающая пружина
Прикладывает к механизму силу, действующую в направлении к открытому положению, и способствует предотвращению колебаний.
5
Передняя опорная плита
Содержит уплотнение вокруг тягового вала 24, разделяющее воду от воздуха.
6
Винт затвора
Соединяет две половины затвора вместе с уплотнением.
7, 8, 9
У ставка калибровки положения затвора
Эти компоненты используются во время заводской калибровки для задания правильного усилия, с которым затвор взаимодействует с посадочным местом в конце своего рабочего хода.
6, 10, 16, 15
Затвор
Два металлических компонента соединены винтами с упругим уплотнением, размещенным между ними.
15
Уплотнение затвора
Упругая поверхность затвора, которая способствует уплотнению.
11
Пластина для уплотнения механизма
Не пропускает воду в механизм, выполнена с возможностью удаления для доступа при сборке и возможном ремонте.
12, 18, 19
Подшипник зубчатой рейки
13
Посадочное
Взаимодействует с затвором для создания
место
управляющего дросселирования
14, 17
Корпус
20
Направляющая для следящего кулачкового элемента
21
Ведущая шестерня
Соединена посредством тягового вала с кулачковым диском, содержащим направляющую 20
22
Задняя опорная плита
Содержит уплотнение вокруг тягового вала 24, также отделяющее воздух от воды, но в противоположном направлении: компенсация тягового вала 24 происходит на основании разности давлений воды и воздуха.
23
Стержень следящего элемента
Кулачковый диск имеет направляющую 20, которая ограничивает перемещение затвора. Следящий элемент перемещается в указанной направляющей, щелевом отверстии и содержит небольшой вал и подшипник. Фактически используются два подшипника и два кулачка, но они функционируют как единая пара "кулачок/следящий элемент".
24
Тяговый вал
Передает движение от функционального механизма к затвору
25
Штифт тягового вала следящего элемента
Соединяет стержень следящего элемента 23 с валом 24.
26
Штифт кулачка
Соединяет кулачок с шестерней
27
Опорная пластина
Поддерживает подшипники зубчатой рейки и шестерни.
механизма
28
Стержень
Соединяет исполнительно-приводное устройство с функциональным механизмом.
29, 30, 31
Уставка ограничителя хода
См. 1, 2 выше
32
Винт корпуса
Соединяет части корпуса.
33
Спиральная смещающая пружина
Этот компонент может быть удален в будущих вариантах реализации.
34
Подшипник стержня шестерни
35
Опорная пластина механизма
36, 37
Подшипник следящего элемента
38
Опорный винт механизма
39
Штифт спиральной пружины
40
Камера для компенсации давления
41
Камера механизма
42, 43
Отверстия для отслеживания давления
Отслеживают перепад давления на камере клапана