ШАРОВОЙ ТРЕХХОДОВОЙ КРАН

Полезная модель относится к трубопроводному арматуростроению, а более конкретно, к многоходовым кранам с запорными элементами, имеющими сферическую поверхность и может быть использована в качестве распределяющего устройства в инженерных сооружениях и сетях для транспортирования жидких и газообразных сред высокого давления и температуры, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных, где возникает необходимость надежного перекрытия потоков.
Из уровня техники известен трехходовой кран, включающий в себя корпус, расположенный во внутренней полости корпуса сферический клапан, противоположно расположенные седла клапанов, расположенную в верхней части корпуса крышку, связанные с клапаном шток и ручку, а также монтажные отверстия, см., патент CN 202001670 U, кл. F16K 11/087, опубликован 05.10.2011. Трехходовой кран удобен в установке и обслуживании. Вместе с тем известный кран предназначен для отвода части потока из основной магистрали и его конструктивные особенности не позволяют изменять направление основного потока и перекрывать его.
Известен трехходовой шаровой кран, содержащий корпус, шток поводка, три патрубка, два из которых выполнены соосными с геометрической осью, перпендикулярной оси поворота штока, шаровую пробку с пазом под шток, контактирующую через соосные двум патрубкам два упругих седла с уплотнительными элементами и имеющую три отверстия, геометрические оси которых лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси поворота штока, причем два отверстия выполнены соосными, а геометрическая ось третьего отверстия перпендикулярна геометрической оси первых двух отверстий, при этом в шаровой пробке соосно оси поворота штока выполнено четвертое отверстие, причем первое и второе отверстия, а также третье и четвертое соединены изолированными каналами, см., патент на полезную модель RU, кл. F16K 11/087, №3471, опубликован 16.01.1997. Кран характеризуется простотой конструкции и простотой регулировки поджатия упругих седел к шаровой пробке. Однако, кран содержит по меньшей мере два разъема, каждый из которых снабжен уплотнением, что не способствует надежности и долговечности.
Известен шаровой трехходовой кран с верхним разъемом, содержащий корпус с верхним фланцем и тремя патрубками, в котором расположены цельные седла, взаимодействующие с шаровой пробкой, расположенной в опорах между ними, причем седла постоянно нагружены пружинами в сторону шаровой пробки, устройство разжима седел, в шаровой пробке выполнены проходные отверстия, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения пробки, шток, взаимодействующий с шаровой пробкой, см., патент на изобретение RU, кл. F16K 11/087, №2282087, опубликован 20.08.2006. Изобретение обеспечивает снижение времени и трудоемкости ремонта, сборки (разборки) крана, герметичность затвора в любом из его положений. Данное известное техническое решение принято в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог.
Недостатком прототипа является усложненная конструкция седел затвора и способа его монтажа, кроме того в нем количество всевозможных уплотнений достигает ощутимого значения. Наличие в конструкции прототипа указанных недостатков ухудшает экономические характеристики и надежность, ограничивает эффективность и область его применения.
Полезная модель направлено на достижение технического результата, который выражается в упрощении конструкции и технологии сборки шарового трехходового крана, повышении его надежности и долговечности. В конечном итоге указанный технический результат позволяет расширить сферу использования крана и увеличить эффективность использования. В полезной модели максимально сохранены все положительные свойства прототипа, наиболее важным из которых является его высокая герметичность.
Указанный технический результат достигается тем, что шаровой трехходовой кран, включающий разъемный корпус с тремя патрубками, в котором расположены цельные седла, взаимодействующие с расположенной между ними шаровой пробкой, в которой выполнены проходные отверстия, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения пробки, шток, взаимодействующий с шаровой пробкой отличается от прототипа тем, что он снабжен средством герметизации штока, выполненным в виде кольцевого уплотнения и взаимодействующей с ним втулки, в корпусе по оси вращения пробки выполнено сквозное отверстие в котором установлен шток с возможностью поворота, при этом сквозное отверстие имеет уступ на котором коаксиально штоку одна над другом смонтированы кольцевое уплотнение и втулка, причем последняя установлена с возможностью осевого перемещения и снабжена пружинным механизмом для обжатия кольцевого уплотнение, два патрубка расположены в корпусе соосно навстречу друг другу, а третий - перпендикулярно к ним, плоскость разъема корпуса выполнена перпендикулярно оси патрубков расположенных соосно с возможностью отделения части корпуса с одним из этих патрубков, цельные седла смонтированы в различных частях корпуса со стороны каждого из соосных патрубков.
Предпочтительной является конструкция крана, в которой пружинный механизмом для обжатия кольцевого уплотнение выполнен в виде соединяющей втулку с корпусом винтовой пары с тарельчатой пружиной и направляющей. Целесообразно оснащение крана смонтированным на его корпусе бугелем и указателем положения шаровой пробки, выполненным в виде фигурной шайбы, установленной на штоке. Оптимальным с точки зрения достижения указанного технического результата является выполнение разъема корпуса в виде уплотнительного фланцевого соединения. Во всех случаях реализации крана альтернативно возможно выполнение проходных отверстий в шаровой пробке глухими, под прямым углом друг к другу, с образованием L-образного канала, либо так чтобы одно из проходных отверстий в шаровой пробке было выполнено сквозным, а второе - под прямым углом к нему, с образованием Т-образного канала.
Важнейшими технической характеристикой любого запорно-регулирующего устройства являются надежность перекрытия потока транспортируемой жидкости (внутренняя герметичность) и внешняя герметичность в условиях отсутствия осмотров, регламентных и ремонтных работ. Наиболее сложной задачей является обеспечение герметичности в месте соединения деталей и подвижных элементов крана.
В основу конструкции шарового трехходовой кран положен принцип минимизации количества разъемов и отверстий в корпусе, а также количества уплотнений. Благодаря тому, что плоскость разъема корпуса выполнена перпендикулярно оси соосных патрубков с возможностью отделения части корпуса с одним из этих патрубков, а также тому, что цельные седла смонтированы в различных частях корпуса со стороны каждого из соосных патрубков, кран имеет всего один разъем и всего два цельных седла, причем герметизация и разъема и обеих седел осуществляется одновременно одним и тем же действием - затяжкой болтов фланцевого соединения. Выполнение в корпусе единственного сквозного отверстия необходимого для монтажа штока существенно упрощает конструкцию крана. Средство герметизации штока в виде кольцевого уплотнения и взаимодействующей с ним втулки позволяет решить одновременно задачу герметизации и торможения штока. Оснащение втулки пружинным механизмом для обжатия кольцевого уплотнение гарантирует постоянство усилия обжатия.
Конструктивная схема шарового трехходового крана согласно полезной модели максимально повышает его автономность и надежность в условиях многолетнего необслуживаемого использования. Кран рекомендован к эксплуатации с агрессивными средами в широком температурном диапазоне во всех климатических зонах, его надежность и долговечность подтверждены испытаниями.
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки шарового трехходового крана направлены на получение и является достаточными для достижения технического результата, а именно, упрощение конструкции и технологии сборки, повышение его надежности и долговечности с обеспечением необходимой герметичности в разнообразных условиях. Шаровой трехходовой кран, характеризующийся описанной совокупностью существенных признаков, является новым и промышленно применимым.
Техническое решение иллюстрировано чертежами.
На фигуре 1 изображен в разрезе общий вид шарового трехходового крана с L-образным каналом в шаровой пробке; фиг.2 - поперечный разрез крана с L-образным каналом в шаровой пробке; фиг.3 - узел герметизации штока с увеличением в разрезе; фиг.4 - указатель положения шаровой пробки, вид А на фиг.3; фиг.5 - общий вид шарового трехходового крана с Т-образным каналом в шаровой пробке; фиг.6 - поперечный разрез крана с Т-образным каналом.
Шаровой трехходовой кран содержит разъемный корпус 1 с двумя соосными патрубками 2 и 3 расположенными навстречу друг другу. Третий патрубок 4 расположен перпендикулярно к соосным патрубкам 2 и 3. Патрубки 2, 3 и 4 представляют собой фланцевые соединения с центральными каналами. Плоскость разъема корпуса 1 выполнена перпендикулярно оси патрубков 2 и 3 с возможностью отделения основной части корпуса 1 включающей патрубки 2 и 4 от части корпуса 1 включающей патрубок 3. Цельные седла 5 смонтированы в различных частях корпуса 1 со стороны соосных патрубков 2 и 3 и представляют собой уплотнительные кольца с профилированной рабочей поверхностью, жестко установленные в гнездах и выполненные, например, из фторопласта, композитов на его основе или капрона. В корпусе 1 между седлами 5 расположена взаимодействующая с ними шаровая пробка 6, в которой выполнены проходные отверстия 7. Проходные отверстия 7 расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения шаровой пробки бив зависимости от назначения крана альтернативно могут быть выполнены глухими, под прямым углом (перпендикулярно) друг к другу, с образованием L-образного канала (как это изображено на фигурах 1 и 2), либо с образованием Т-образного канала когда одно из проходных отверстий 7 в шаровой пробке 6 выполнено сквозным, а второе - под прямым углом к нему (как это изображено на фигурах 5 и 6).
В основной части корпуса 1 включающей патрубки 2 и 4 по оси вращения шаровой пробки 6 выполнено сквозное отверстие с уступом (на фигурах не обозначено) в котором установлен шток 8 с возможностью вращения вокруг оси. Для взаимодействия штока 8 с шаровой пробкой 6 его нижний участок имеет квадратный профиль, а в пробке 6 выполнена ответная выемка. На участке штока 8 с квадратным профилем жестко установлен указатель 9 положения шаровой пробки 6, выполненный в виде фигурной шайбы с выступами, количество которых зависит от исполнения крана, для L-образного - два выступа (как это изображено на фигуре 4), для Т-образного канала - три выступа. На уступе между стенкой корпуса 1 и штоком 8 установлено средство герметизации штока 8, выполненное в виде кольцевого уплотнения 10 и взаимодействующей с ним втулки 11. Кольцевое уплотнение 10, преимущественно сальникового типа, может быть выполнено наборным из нескольких керамических, графитовых и т.п. колец установленных одно на другом коаксиально штоку 8. На кольцевом уплотнении 10 также коаксиально штоку 8 установлена втулка 11 с возможностью осевого перемещения по скользящей посадке в зазоре между стенкой корпуса 1 и штоком 8. Втулка 11 снабжена пружинным механизмом для обжатия кольцевого уплотнение 10, который состоит из винтовой пары 12, например шпилька-гайка (как это изображено на фигурах 1 и 5), тарельчатой пружины 13 и направляющей 14. В корпусе 1 выполнено резьбовое отверстие в которое установлена шпилька винтовой пары 12, а в отбортовке втулки 11 - ответное отверстие, для соединения втулки 11 с корпусом 1. На шпильке, под гайкой винтовой пары 12 установлена с возможностью осевого перемещения при закручивании гайки направляющая 14, выполненная в виде гильзы со сквозным каналом и буртиком. На направляющей 14 между ее буртиком и корпусом 1 установлена тарельчатая пружина 13, состоящая из набора упругих шайб.
Разъем корпуса 1 выполнен в виде фланцевого соединения (как это изображено на фигурах 1, 2 и 5, 6). В плоскости разъема могут быть расположено одно или несколько уплотнительных элементов 15. На корпусе 1 смонтирован бугель 16, выполняющий защитную и несущую функции, на нем может быть укреплен механизм (на фигурах не показан) вращения штока 8 и нанесена маркировка положения шаровой пробки 6. Кроме того на корпусе 1 могут быть выполнены различные сервисные маркировки.
Шаровой трехходовой кран функционирует следующим образом.
Кран монтируется в трубопроводе посредством соединения патрубков 2, 3 и 4 с фланцами труб. При этом направление потока рабочей среды в кране не регламентировано и принципиально может быть двухсторонним. На фигурах направление потока жидкости условно изображено стрелками. Кран изображенный на фигуре 1, 2 может быть полностью открыт, или полностью закрыт, кран изображенный на фигуре 5, 6 может быть полностью открыт (проток через все патрубки 2, 3, 4) или работать только на проток в одном направлении. На всех чертежах кран изображен в положении "открыто". В положении крана, изображенном на фигуре 1, 2 сообщаются патрубки 2 и 4. При повороте штока 8 по часовой стрелке на 90° он, взаимодействуя с шаровой пробкой 6, поворачивает ее на 90°. Шаровая пробка 6 перекрывает патрубок 2 и открывает патрубок 3, происходит перенаправление потока. При повороте штока 8 по часовой стрелке на 180° шаровая пробка 6 перекрывает патрубок 2 и 4, происходит полное перекрытие потока. Рабочий ход штока 8 составляет как минимум 180°. Принципиально, при отсутствии ограничителей, возможен поворот штока 8 на 360°, однако второй полуоборот не открывает кран. Для крана изображенного на фигуре 5, 6 актуален поворот штока 8 на 270°. При этом указатель 9 положения шаровой пробки 6 наглядно отображает расположение всех проходных отверстий 7 относительно патрубков 2, 3 и 4. Все проходные отверстия 7 в шаровой пробке 6 выполнены полнопроходными, т.е. предпочтительно совпадают с диаметром проходного сечения патрубков 2, 3, 4 и выполнены таким образом, что образуют, в том числе и с трубопроводом сквозной канал. Таким образом, кран в полностью открытом положении обладает минимальным гидросопротивлением.
Герметичность перекрытия крана (внутренняя герметичность) во всех положениях пробки 6 обеспечивается постоянным поджатием седел 5 к шаровой пробке 6. Предварительное поджатие обеспечивается при сборке крана за счет контролирования момента затяжки стяжных болтов уплотнительного фланцевого соединения разъема корпуса 1. Постоянство поджатия обеспечивается упругими свойствами уплотнительных колец седел 5. В процессе эксплуатации притертые между собой самоцентрирующиеся поверхности седел 5 и пробки 6 не только не теряют своих герметизирующих свойств, но еще больше их усиливают, поскольку происходит их дальнейшее притирание (не путать с износом). Кроме того, материалы на основе фторопласта или капрона не теряют своих свойств при длительном воздействии на них абразивных и агрессивных сред с высоким давлением и температурой.
Герметичность зазора между стенкой корпуса 1 и штоком 8 обеспечивается постоянным поджатием кольцевого уплотнения 10. Предварительное поджатие кольцевого уплотнения 10 обеспечивается при сборке крана за счет контроля момента затяжки винтовой пары 12. Постоянство поджатия кольцевого уплотнения 10 в процессе эксплуатации обеспечивается упругими свойствами тарельчатой пружины 13. Наличие направляющей 14 создает благоприятные условия для свободного (без заеданий) перемещения упругих шайб тарельчатой пружины 13. Кроме того, пружинный механизм обжатия кольцевого уплотнение 10 осуществляет необходимую упругость хода штока 8 при его вращении. Герметичность фланцевого соединения разъема корпуса 1 обеспечивается уплотнительными элементами 15, которые изготавливаются из материала, обеспечивающего при любых условиях работы в течение длительного времени упругие свойства, способность сопротивляться деформирующему воздействию и восстанавливать свою форму и объем после прекращения воздействия.
Кран не имеет ограничений неспециального характера к применению его в сетях самого различного назначения и способен безотказно функционировать в течение длительного срока. Достоинством шарового трехходового крана согласно полезной модели является его простота, надежность и эффективность. Эксплуатация такого крана экономически и технически не сопряжена с существенными затратами.
Описанные выше примеры осуществления шарового трехходового крана не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения полезной модели и подтверждения ее промышленной применимости. Специалисты в данной области могут улучшить ее и (или) осуществить альтернативные варианты в пределах сущности данной полезной модели, отраженной в описании и чертежах.