ЗАТВОР ДИСКОВЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезные модели относятся к трубопроводной арматуре, а именно к затвору дисковому, предназначенному для регулирования давления или расхода газа в системах газоснабжения тепловых электростанций (ТЭС) и котельных.
Затвор дисковый регулирующий (далее затвор) может быть использован как регулирующее устройство в газорегуляторных пунктах (ГРП) или перед горелками газоиспользующих установок. При этом затвор должен решать задачу плавного изменения давления газа на выходе из ГРП или плавного изменения мощности горелки во всем диапазоне изменения угла поворота регулирующего органа (далее РО).
N
Известно, что расходные характеристики затворов зависят от диаметра РО и степени его открытия (смотри расходные характеристики дисковых затворов - зависимость пропускной способности Kv от диаметра D регулирующего органа и угла поворота φ регулирующего органа. Каталог «Butterfly valves» фирмы TECOFI от 13.02.2009 г., http://www.tecofi.fr/). Из этих характеристик видно, что даже незначительное изменение положения РО приводит к значительному изменению пропускной способности затвора (в особенности это относится к РО большого диаметра). Наибольшая крутизна в расходных характеристиках наблюдается именно на малых углах поворота РО, где 10°<φ<20°. Следовательно, необходимость обеспечения пологости расходной характеристики затвора, в особенности, требуется на малых углах поворота РО. К тому же известно, что у неплотно закрывающихся затворов не представляется возможным определить расходную характеристику при 0°<φ<10°.
В предлагаемом первом варианте затвора управление осуществляется вручную.
В предлагаемом втором варианте затвора управление осуществляется автоматически исполнительным механизмом, который может быть расположен как на отдельном основании, так и на корпусе затвора.
В предлагаемом третьем варианте затвора предложено законченное изделие, в котором управление РО производится автоматически исполнительным механизмом, стационарно закрепленным на корпусе затвора.
Известен затвор дисковый регулирующий (GB, патент 2192226 А, F02D 9/10, F16K 1/22, опубл. 06.01.1988 г.), принятый в качестве аналога для всех вариантов затвора. Известный затвор предназначен для регулирования расхода воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) автомобиля. Затвор содержит корпус, регулирующий орган (диск), расположенный во внутренней полости корпуса и жестко закрепленный на валу. Вал расположен в подшипниках и имеет возможность поворачиваться. На валу закреплен один из концов рычага. К другому концу рычага прикладывается усилие от исполнительного механизма. Особенностью известного затвора дискового регулирующего является то, что в исходном состоянии (φ=0°) между корпусом и диском образован значительный кольцевой зазор. Кольцевой зазор решает две задачи. Во-первых, он предотвращает заклинивание диска в корпусе в результате теплового расширения. Во-вторых, величина кольцевого зазора в исходном положении (φ=0°) рассчитывается из того условия, чтобы через зазор проходило достаточное количество воздуха для работы ДВС в режиме «холостого хода».
Перед затвором, расположенным перед горелкой, стоит аналогичная задача, а именно через затвор в исходном его положении должно проходить необходимое количество газа, достаточное для розжига горелки.
Недостатком известного затвора дискового регулирующего (GB 2192226A) является то, что отсутствует возможность изменения величины «значительного кольцевого затвора» в исходном положении.
Следовательно, отсутствует возможность изменения количества рабочей среды, достаточного, например, для работы ДВС в режиме «холостого хода» или для розжига горелки. Если бы в известном затворе была возможность изменять исходное положение РО, при котором бы φ≠0°, то стало бы возможным изменять величину зазора и выполнить затвор без значительного кольцевого зазора в закрытом состоянии, когда φ=0°.
Из патентной литературы известен затвор дисковый регулирующий (GB патент 2393497, приоритет 22.08.2002 г., F02D 9/10), принятый в качестве аналога для второго и третьего вариантов изобретения. Затвор предназначен для регулирования газовоздушной смеси, подаваемой в ДВС автомобиля. Затвор содержит корпус и РО, расположенный в корпусе и закрепленный на валу. На валу расположены два рычага регулирующего органа (первый и второй рычаги регулирующего органа), при этом первый рычаг регулирующего органа (далее рычаг РО) жестко закреплен на валу, а второй рычаг расположен на валу с возможностью вращения. Первый и второй рычаги РО имеют на вторых концах продольные вырезы, в которых установлен болт, с помощью которого рычаги РО шарнирно соединены с одним из концов тяги. Другой конец тяги соединен с рычагом исполнительного механизма. Для открытия затвора рычаг исполнительного механизма поворачивается против часовой стрелки, а рычаги РО за счет соединения с рычагом исполнительного механизма при помощи тяги поворачивается по часовой стрелке. При повороте РО болт перемещается в продольных вырезах первого и второго рычагов РО, и тем самым осуществляется возможность регулирования длины плеча от оси вращения РО до точки соединения рычагов РО с тягой. Длина плеча изменяется в зависимости от положения рычага исполнительного механизма. Механизм сочленения известного регулирующего затвора, состоящий из двух рычагов РО, тяги и рычага исполнительного механизма, обеспечивает медленное открытие затвора на малых углах поворота φ, что позволяет эффективно контролировать работу двигателя на малых оборотах и низкой нагрузке. В то же время при переходе двигателя на мощностной режим механизм сочленения увеличивает скорость открытия затвора. Такой режим поворота диска достигается за счет нелинейности (вогнутости) характеристики механизма сочленения. В данном случае конструкция механизма сочленения решает задачу медленного открытия затвора на малых углах поворота φ и дальнейшего увеличение скорости открытия затвора (в отличие от предлагаемой полезной модели, где требуется плавное открытие затвора во всем диапазоне мощностей).
Известно регулирующее устройство (Руководящий материал «Системы автоматизации технологических процессов. Расчет электрических исполнительных механизмов при проектировании», РМ 4-173-79, Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный институт «Проектмонтажавтоматика», Раздел 4 «Сочленение электрического исполнительного механизма с регулирующим органом», срок введения руководящего материала 1 декабря 1979 г., стр.18-26, http://opengost.ru/). Известное регулирующее устройство, содержащее РО в виде диска, установленный в корпусе, электрический исполнительный механизм и механизм сочленения, состоящий из рычага РО, тяги и рычага исполнительного механизма. В указанном руководящем материале рассмотрены примеры построения кинематических схем механизмов сочленений, состоящих из рычага исполнительного механизма и рычага РО соединенных тягой, методы их расчета и полученные характеристики механизма сочленения (нелинейные (вогнутые) или линейные). Из приведенных в руководящем материале уравнений и графиков φис.2а - расходная характеристика РО, рис.2б - характеристика механизма сочленения, рис.2в - характеристика регулирующего устройства) следует, что вид расходной характеристики регулирующего устройства зависит от характеристики механизма сочленения. В частности, указывается на то, что нелинейность (вогнутость) характеристики механизма сочленения ведет к линейности характеристики регулирующего устройства.
В качестве прототипа для всех вариантов затворов принят известный затвор дисковый регулирующий (Номенклатурный каталог 2007 г., стр.23, ЗАО «Барнаульский котельный завод», http://www.bkzn.ru/), содержащий корпус в котором установлен регулирующий орган, имеющий вид диска и жестко закрепленный на двух полуосях. Полуоси установлены в опорах. Одна из полуосей выходит из корпуса и на ней закреплен рычаг.
Недостатком известных регулирующих затворов, приведенных в качестве аналогов и прототипа, является отсутствие средств, которые бы позволили изменять положение рычага относительно РО. Это позволило бы располагать элементы сочленения в нужное положение. К тому же возможность регулировать положение РО относительно рычага позволило бы располагать РО в нужное исходное положение (φ>0°), для создания кольцевого зазора между корпусом и РО.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности регулирования положения регулирующего органа относительно рычага.
Такая возможность позволит устанавливать РО в требуемое исходное положение (φ>0°) и образовывать зазор необходимой величины между корпусом и РО. Это позволит пропускать через затвор необходимое количество газа для розжига горелки или поддерживать постоянное (p=const) давление газа на выходе из ГРП.
Кроме того, при управлении исполнительным механизмом, возможность регулирования положения РО относительно рычага позволит легко расположить элементы механизма сочленения в нужном положении. Что в свою очередь определит характер движения РО.
Во всех вариантах затвора возможность регулирования относительного положения РО и рычага достигается использованием планшайбы.
Кроме этого, использование планшайбы в первом варианте затвора позволяет фиксировать положение РО в корпусе.
Механизм сочленения во втором и третьем вариантах затвора обеспечивает плавную регулировку расхода или давления газа.
Технический результат в первом варианте достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий орган, расположенный в корпусе и имеющий вид диска, и планшайбу, при этом регулирующий орган жестко закреплен на двух полуосях, установленных в опорах, на одной из полуосей, выходящей из корпуса, закреплен рычаг, а в четверти планшайбы выполнены отверстиями для фиксации положения рычага.
Технический результат во втором варианте достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий орган, расположенный в корпусе и имеющий вид диска, и планшайбу, при этом регулирующий орган жестко закреплен на двух полуосях, установленных в опорах, на одной из полуосей, выходящей из корпуса, закреплен рычаг, соединенный с тягой, второй конец которой выполнен с возможностью соединения с рычагом исполнительного механизма, а в четверти планшайбы выполнены отверстия для фиксации положения рычага.
Технический результат в третьем варианте достигается тем, что затвор дисковый регулирующий содержит корпус, регулирующий орган, расположенный в корпусе и имеющий вид диска, планшайбу и исполнительный механизм, установленный на кронштейне, укрепленном на корпусе, при этом регулирующий орган жестко закреплен на двух полуосях, установленных в опорах, на одной из полуосей, выходящей из корпуса, закреплен рычаг, соединенный с тягой, второй конец которой соединен с рычагом исполнительного механизма, а в четверти планшайбы выполнены отверстия для фиксации положения рычага.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
Фиг.1 Затвор дисковый регулирующий по первому варианту (главный вид).
Фиг.2 Затвор дисковый регулирующий по первому варианту (вид сбоку).
Фиг.3 Разрез А-А.
Фиг.4 Затвор дисковый регулирующий по второму и третьему вариантам (главный вид).
Фиг.5 Затвор дисковый регулирующий по второму и третьему вариантам (вид сбоку).
Фиг.6 Разрез Б-Б.
На чертежах детали затворов дисковых регулирующих обозначены следующими позициями:
1 - корпус;
2 - регулирующий орган в виде диска (далее РО);
3, 4 - полуось или вал;
5 - опора;
6 - уплотнение (кольца);
7 - крышка;
8 - планшайба;
9 - рычаг регулирующего органа (далее рычаг);
10 - гайка;
11 - шайба;
12 - фиксирующий элемент;
13 - болт;
14 - шайба;
15 - исполнительный механизм (далее МЭО);
16 - кронштейн;
17 - рычаг исполнительного механизма (далее рычаг МЭО);
18 - тяга;
19 - вилка;
20 - ось.
Регулирование давления или расхода происходит за счет изменения сечения газопровода (степени открытия затвора), которое обусловлено положением РО затвора.
В корпусе 1 (смотри фиг.2 и фиг.5) затвора расположен РО 2 в виде диска, жестко закрепленный на двух полуосях 3 и 4 или на валу (далее по тексту использован вариант с двумя полуосями). Предложенный затвор является неплотно закрывающимся. Пропуск газа при закрытом положении затвора (φ=0°) составляет не более 1% от максимального расхода. Затвор выполнен в комплекте с фланцами, предназначенными для соединения с трубопроводом. Две полуоси установлены в опорах 5, выполняющих функцию подшипников скольжения. РО может поворачиваться в корпусе в пределах 0°≤φ≤90° в зависимости от требуемого давления или расхода газа на выходе затвора. Герметичность затвора обеспечивает сальниковое уплотнение 6, расположенное в отверстии, в котором расположена полуось 4, выходящая за пределы корпуса. Крышка 7 фиксируется винтами.
На полуоси 4, выходящей за пределы корпуса, расположены круглая планшайба 8 и рычаг 9. Для фиксированной (жесткой) установки планшайбы на конце полуоси выполнен квадрат (фиг.3 и фиг.6). Планшайба предназначена для установки РО в требуемое исходное положение, при котором (φ>0°), и для регулировки положения рычага 9 относительно РО. В планшайбе выполнены сквозные отверстия, расположенные по дуге в одной из четвертей планшайбы.
Рычаг 9 закреплен на полуоси 4, выходящей за пределы корпуса, гайкой 10 и шайбой 11. Рычаг 9 имеет приваренный фиксирующий элемент 12, при помощи которого он крепится к планшайбе в заданном положении, за счет расположения фиксирующего элемента в одном из отверстий планшайбы.
Для изменения исходного положения РО осуществляют следующий порядок действий: откручивают гайку 10, отодвигают рычаг 9 от планшайбы и тем самым извлекают фиксирующий элемент 12 из отверстия планшайбы, поворачивают полуось с жестко закрепленными на ней планшайбой и диском на требуемый угол, вновь закрепляют рычаг 9 на планшайбе фиксирующим элементом, расположенным в последующем отверстии планшайбы, и закручивают гайку.
Изменение положения РО в первом варианте затвора (фиг.1-3) осуществляют вручную. При этом в планшайбе наряду с отверстиями, расположенными в одной из четвертей планшайбы, в другой ее четверти выполнен сквозной вырез (фиг.1), расположенный по дуге. В вырезе расположен болт 13 с шайбой 14, ввернутый в корпус. Для этого часть корпуса выполнена в виде цилиндрической стойки, к которой болт прижимает планшайбу. Это позволяет зафиксировать положение РО в корпусе.
Во втором варианте затвора управление осуществляется исполнительным механизмом (фиг.4 и фиг.5). Для этого в рычаге 9 выполнено отверстие для соединения с тягой, второй конец которой выполнен с возможностью присоединения к рычагу исполнительного механизма. При этом исполнительный механизм может быть расположен на отдельном основании, не соединенном с корпусом затвора.
В третьем варианте затвора предложено законченное изделие (фиг.4 и фиг.5), в котором управление затвором осуществляют МЭО 15, установленным на кронштейне 16. Кронштейн укреплен на корпусе и в нем выполнены отверстия для крепления МЭО. Рычаг 17 МЭО и рычаг 9 соединены между собой тягой 18. Длины рычага 17 МЭО и рычага 9 равны. Шарнирное соединение тяги с рычагом РО и рычагом МЭО выполнено при помощи вилок 19 и осей 20. Имеется возможность регулирования длины тяги. Для открытия затвора (фиг.4) рычаг 17 МЭО поворачивается по часовой стрелке. Рычаг 9, соединенный с рычагом МЭО при помощи тяги, поворачивается против часовой стрелки.
Использование планшайбы позволяет установить РО в исходное положение, при котором φ>0°. Например, при расположении затвора перед горелкой через образованный между корпусом и РО зазор на горелку подается необходимое для розжига горелки количество газа.
В исходном положении рычаг 17 МЭО и тягу 18 располагают почти по одной линии, чтобы угол между ними равнялся 180°. Это делают для того, чтобы уменьшить скорость поворота РО относительно скорости поворота рычага МЭО на малых углах φ. Использование планшайбы позволяет легко расположить элементы механизма сочленения (9, 18, 17) в нужном положении.